автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Исследование электромагнитного поля трансформаторов промышленной частоты с короткозамкнутыми витками

На правах рукописи

КЛИМЕНКО Ксения Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМИ ВИТКАМИ

Специальность 05.09.01 -«Электромеханика и электрические аппараты»

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Омск-2013

005543621

005543621

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет», кафедра «Теоретическая и общая электротехника».

Научный руководитель: Заслуженный работник Высшей школы РФ,

доктор технических наук, профессор Попов Анатолий Петрович

Андреева Елена Григорьевна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет», профессор кафедры

«Электрическая техника».

Официальные оппоненты:

Бондарь Игорь Михайлович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет», доцент кафедры

«Электротехника и автоматика».

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Донской государственный

технический университет».

Защита диссертации состоится «25» декабря 2013 г. в 14:00 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.178.03 при ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, корп. 6, ауд. 232.

Тел/факс: (8-3812) 65-64-92, e-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан «%£» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 212.178.03

Р. Н. Хамитов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

В электроэнергетике широко распространенными преобразователями тока и напряжения являются силовые трансформаторы и измерительные трансформаторы тока и напряжения. К электроэнергетическому оборудованию, как в частности и к трансформаторам, предъявляются высокие требования надежности и экономичности. Конструктивные параметры принято определять путем исследования электромагнитных процессов, протекающих в трансформаторе с использованием схем замещения. В электротехнике описание электромагнитных процессов принято рассматривать с двух позиций: с позиции теории электромагнитного поля и теории электрических цепей. Теория поля развивается на основе уравнений Максвелла, а теория цепей — на основе уравнений Кирхгофа.

В настоящее время теория электрических цепей хорошо развита и находит широкое применение, как для анализа электромагнитных процессов в установившемся режиме, так и в переходном. Анализ процессов в электрических цепях электромагнитных устройств осуществляется с использованием электрических схем замещения, параметры которых обычно определяются экспериментально, что требует применения специальных измерительных приборов и сопряжено с большими затратами времени. Как известно, более полное представление об электромагнитных процессах можно получить на основе исследования пространственного распределения характеристик электромагнитного поля в электромагнитных устройствах (векторов напряженности магнитного поля и магнитной индукции).

В связи с этим, представляет как научный, так и практический интерес исследование электромагнитного поля трансформаторов, как в рабочем режиме, так и в режиме короткого замыкания. Возникновение короткого замыкания одного или нескольких витков может привести к аварийной ситуации.

Значимость задачи обеспечения энергетической безопасности, которая возможна лишь при условии безаварийной работы электроэнергетического оборудования, в том числе и трансформаторов, в Российской Федерации нашла отражение в Федеральном законе «О техническом регулировании» и в принятой Правительством РФ «Энергетической стратегии России на период до 2020 года».

Работы в направлении исследования электромагнитного поля электроэнергетического оборудования интенсивно велись такими учеными, как К. С. Демирчян, В. М. Юринов, Н. В. Коровкин, П. А. Бутырин, Е. В. Кононенко, Г. А. Сипайлов, И. П. Копылов, А. В. Богдан, К. Шимони. В области численного расчета электромагнитного поля различных устройств активно работают ученые: Е. Г. Андреева, А. П. Попов, А. С. Татевосян. Работы в направлении диагностирования электроэнергетического оборудования на наличие короткозамкнутых витков интенсивно велись в научной школе академика К. С. Демирчяна и нашли отражение в работах Ю. П. Аксенова, Б. А. Алексеева, Н. В. Силина и др. Среди зарубежных ученых, работающих в этом направлении, следует выделить Е. Lemke, J. Harley, А. Vilson.

Результаты моделирования электромагнитного поля электрических машин и трансформаторов в рабочих режимах описаны в работах профессора Ю. Я. Щелыкалова. В известной автору литературе не рассматриваются вопросы исследования электромагнитного поля трансформаторов с учетом нелинейности сердечника, поверхностного эффекта, рассеяния магнитного потока и наличия короткозамкнутых витков в обмотках трансформатора. Учет влияния перечисленных факторов имеет важное практическое значение и позволяет решить некоторые прикладные задачи.

Объектом исследования является трансформатор промышленной частоты с короткозамкнутыми витками.

Предметом исследования является влияние короткозамкнутых витков на электромагнитные процессы в трансформаторе.

Цель диссертационной работы Анализ электромагнитного поля трансформаторов промышленной частоты с короткозамкнутьтми витками, позволяющий учитывать действие вихревых токов (поверхностного эффекта), нелинейности основной кривой намагничивания, геометрических размеров элементов конструкции для расширения области практического применения трансформаторов с короткозамкнутьтми витками и определения наличия короткозамкнутых витков в обмотках.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторе при наличии короткозамкнутых витков с учетом конструктивных параметров, электрических и магнитных характеристик элементов конструкции и их расположения в пространстве.

2. На основе теоретических исследований доказать возможность построения безопасного трансформаторного датчика тока, на основе замены вторичной обмотки трансформатора тока короткозамкнутым кольцом и введения в конструкцию разомкнутой сигнальной обмотки, на которой индуцируется выходной сигнал.

3. Определить влияние конструктивных параметров рассматриваемого трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом на электромагнитные процессы с целью оптимизации электромагнитных характеристик подобного датчика.

4. Исследовать зависимость фазового сдвига между измеряемым током и напряжением сигнальной обмотки.

5. Сопоставить фазовую погрешность промышленного трансформатора тока и рассматриваемого в работе датчика тока с короткозамкнутым кольцом.

6. Рассмотреть возможность использования полученных результатов по исследованию электромагнитного поля рассматриваемых трансформаторов для обнаружения короткозамкнутых витков.

Методы исследования Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы, базирующиеся на теории электромагнитного поля с использованием комплексного метода расчета, компьютерного моделирования электромагнитного поля методом конечных элементов. Основу методологии работы составляют фундаментальные положения теоретической электротехники, методы математической обработки результатов, методы цифровой обработки сигналов, а также натурные эксперименты.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования электромагнитных процессов, протекающие в трансформаторе при наличии короткозамкнутых витков на основе построения численной модели поля для определения дифференциальных и интегральных параметров трансформатора.

2. Обоснование возможности построения безопасного датчика тока широкого применения в системах автоматики и электроснабжения.

3. Обоснование возможности осуществления диагностики трансформаторов на наличие короткозамкнутых витков по результатам исследования электромагнитного поля.

Достоверность научных положений и выводов Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, обеспечивается использованием корректного математического аппарата, позволяющего получать результаты с высокой точностью, совпадением результатов расчетов одних и тех же процессов различными методами и совпадением результатов компьютерного моделирования с результатами, полученными в экспериментальных условиях.

Научная новизна работы

К основным научным результатам, которые получены автором, включены в диссертацию и представляются к защите, относятся следующие положения:

1. Впервые исследовано электромагнитное поле трансформатора с короткозамкнутыми витками, с учетом нелинейности ферромагнитного сердечника, поверхностного эффекта и полей рассеяния.

2. Обоснована возможность построения безопасного датчика тока с приемлемой для практики погрешностью измерения первичного тока, достигаемой за счет введения в конструкцию короткозамкнутого кольца, экранирующего магнитный поток сердечника, созданный первичным током и сигнальной разомкнутой обмотки.

3. В результате численных расчетов электромагнитного поля трансформатора тока с короткозамкнутым кольцом и сигнальной обмоткой, намотанной тонким проводом поверх кольца, или под кольцом при соответствующей полярности включения сигнальной обмотки установлено, что фаза выходного напряжения, наводимого на сигнальной обмотке, совпадает с начальной фазой измеряемого тока и пропорциональна измеряемому переменному току.

4. На основании численных результатов исследования электромагнитного поля силового трансформатора показана возможность определения наличия короткозамкнутых витков в обмотках трансформаторов.

Практическая значимость работы:

- показана возможность использования трансформатора с короткозамкнутым кольцом в качестве датчика тока с разомкнутой сигнальной обмоткой;

— установлена возможность обнаружения наличия короткозамкнутых витков в силовых трансформаторах с использованием датчиков Холла;

- разработанная методика расчета конструктивных параметров трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом позволяет проектировать датчики для различных систем автоматики.

Реализация результатов работы В ООО «Энергосервис» внедрен способ диагностики трансформаторов на наличие короткозамкнутых витков по изменению внешнего переменного магнитного поля. В ФГБОУ ВПО «Омский Государственный Технический Университет» (г. Омск) в качестве учебных стендов для проведения лабораторных работ используются образцы трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом. Сделана заявка на способ контроля электроэнергетического оборудования (входящий номер 018412, регистрационный номер 2013112450 от 19 марта 2013 года), которая прошла формальную экспертизу и проходит рассмотрение по существу предложения.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: «III Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» г. Москва, 2011 г.; Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии -в промышленность!» г.Омск, 2011 г.; Региональной научно — технической конференции «Омский регион - месторождение возможностей» г.Омск,

2011 г.; Международной конференции «Инновационные подходы и современная наука» г.Новосибирск, 2012 г.; Международной научно-практической конференции «Научное пространство Европы» г. Белград,

2012 г. Научных семинарах кафедры (2010 — 2013 гг.).

Публикации

По теме диссертации опубликованы 15 печатных работ, из них 5 статей в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 156 страницах, содержит 57 рисунков, 37 таблиц и 127 литературных источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность данной диссертационной работы, сформулирована цель и задачи исследований, перечислены основные результаты, выносимые на защиту, определена их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе описаны численные методы решения краевых задач по численному расчету электромагнитного поля электротехнических устройств.

Поскольку применение эквивалентных схем замещения и других упрощающих инженерных методик расчета параметров трансформатора не всегда возможно, в данной работе показано, что наиболее полную картину происходящих электромагнитных процессов в трансформаторе с учетом нелинейных свойств материала магнитопровода трансформатора, потерь мощности в магнитопроводе и обмотках можно получить в результате численного расчета электромагнитного поля трансформатора с использованием современных программных комплексов прямого моделирования физических полей.

Электромагнитное поле Электромагнитное поле

трансформаторов в общем случае трансформаторов промышленной описывается уравнениями Максвелла: частоты можно считать

' _ _ дБ квазистационарным и система

rotH = J; rotE =———; у

dt уравнений (1) преобразуется к виду:

rot Н = J;

divD = р\ divB = 0; divj = 0;

_ _ _ - О)

B=fiH\ D = eE\ _ дН

rotE=-u-;

^ 8D - St (2)

J = уЕ +--h p-v .

dt

a= yE;

divE= 0; divH = 0.

При анализе электромагнитного поля трансформатора, важно определить какие составляющие векторов являются определяющими. Так, для модели, показанной на рисунке 1, при условии, когда длина набора сердечника «в» существенно больше размера «а», электромагнитное поле можно считать плоскопараллельным в плоскостях, параллельных плоскости ХОУ.

У /т.

Рисунок 1 - Трехмерная модель магнитопровода трансформатора

В диссертационной работе проводится анализ электромагнитного поля

трансформаторов с замкнутым ферромагнитным сердечником при выполнении условия плоскопараллельности поля. При этом кривая В=ДН) задается в виде таблицы или графиком. Решение краевых двумерных задач, рассматриваемых в данной работе, осуществлено в программном комплексе ЕЬСиТ, в котором реализован метод конечных элементов, широко описанный в различных литературных источниках.

Расчет квазистационарного магнитного поля синусоидальных токов относительно комплексной амплитуды векторного магнитного потенциала, как в линейной, так и нелинейной (ферромагнитной) среде с учетом вихревых токов в прямоугольной системе координат сводится к решению дифференциального уравнения в частных производных:

1 ~ — — (3)

—-V 2 Ат- )-ш-у-А„ = —У тстор.

V

Для плоскопараллельной задачи расчета квазистационарного магнитного поля синусоидальных токов в прямоугольной системе координат уравнение (3) имеет вид:

Вектор А направлен по оси Ъ.

Комплекс программ ЕЬСиТ позволяет проводить теоретические исследования электромагнитного поля трансформатора с высокой скоростью вычисления двумерных задач и получать достоверные результаты моделирования.

Во второй главе проведен анализ влияния числа витков вторичной короткозамкнутой обмотки на электромагнитные процессы в трансформаторе тока. В результате было выявлено, что замена вторичной короткозамкнутой обмотки одним короткозамкнутым кольцом или витком позволяет исключить главный недостаток промышленных трансформаторов тока, а именно, опасность аварийного размыкания вторичной обмотки, которое приводит к резкому увеличению значения индукции магнитного поля в сердечнике и возрастанию значения ЭДС на выводах разомкнутой обмотки. Главным критерием оценки влияния числа витков короткозамкнутой обмотки является комплексное амплитудное значение магнитного потока в сечении сердечника под короткозамкнутым витком (кольцом). В условиях равенства площадей поперечного сечения первичной обмотки и короткозамкнутого кольца, магнитный поток сдвинут относительно первичного тока практически на 90°. Если поверх короткозамкнутого кольца намотать сигнальную обмотку тонким проводом, то напряжение сигнальной обмотки будет сдвинуто относительно этого магнитного потока также на 90°. Следовательно, напряжение, наводимое на сигнальной обмотке для синусоидального тока определяется выражением:

(Ш'т ¿Фт

иСт=-= ™с--= )(0 \чс-фт =со ыс-Фт .И90"4*0. (5)

Л

Поскольку (рф=90°, то сдвиг по фазе между первичным измеряемым током и напряжением сигнальной обмотки будет практически равен 0°.

11

Подобную конструкцию можно использовать в качестве датчика тока с разомкнутой сигнальной обмоткой.

Также, было определено влияния различных конструктивных параметров, магнитных и электрических характеристик сердечника, короткозамкнутого витка (кольца), обмоточных данных, воздушного зазора в сердечнике на электромагнитные процессы в трансформаторе тока с короткозамкнутым кольцом, конструкция которого представлена на рисунке 2. Трансформаторный датчик тока с короткозамкнутым кольцом в программном комплексе ЕЬСиТ представлен в виде системы «трансформатор тока — короткозамкнутое электропроводящее кольцо, охватывающее сердечник».

Рисунок 2 — Конструкция системы «трансформатор тока — короткозамкнутое электропроводящее кольцо, охватывающее сердечник» В результате исследования было установлено, что за счет действия короткозамкнутого электропроводящего кольца значение индукции магнитного поля в сердечнике подобной системы много меньше значения индукции насыщения электротехнической стали (более чем в 30 раз), т.е. перемагничивание сердечника осуществляется на начальном участке кривой намагничивания. Фаза магнитного потока в сечении сердечника под

короткозамкнутым кольцом практически равна 90°. Расчет магнитного потока проводился в различных сечениях сердечника (как показано на рисунке 3). В таблице 1 приведены численные результаты исследования электромагнитного поля системы «трансформатор тока — электропроводящее короткозамкнутое кольцо, охватывающее сердечник».

Таблица 1 - Расчетные данные магнитного потока и индукции магнитного поля в сечениях сердечника системы с КЗ кольцом

СечеааеЗ 3

Сечение Магшпный поток. Во Ф =ф -¿Р В.,. Тл Сдвиг ф.'п.'

1 - 1 2-2 1,0587-10-'.^89-69° 1,0591 10"'-е-,89'74° 0,042.456 0,042378 0,31 0.2й

.1-3 1,0597-10-. ^89'91° 0.042382 0,09

Рисунок 3 - Картина распределения линий индукции магнитного поля системы

По значения магнитного потока в различных сечениях (рисунок 3) был рассчитан поток рассеяния, его значение составляет менее 1 % от основного магнитного потока в сердечнике.

Помимо этого, было доказано:

1) в качестве материала электропроводящего короткозамкнутого кольца взамен меди возможно применение дюралюминия без ухудшения фазовых соотношений (рисунок 4, таблица 2);

2) воздушный зазор в сердечнике значительно влияет на фазу магнитного потока в сердечнике под короткозамкнутым кольцом (рисунок 5, таблица 3), поэтому при конструировании подобных датчиков необходимо использовать неразборный сердечник и разборное кольцо в виде ленты или шины с последующим замыканием (сварка и т.п.);

3)на значение фазы магнитного потока в сечении сердечника под короткозамкнутым кольцом не оказывает влияния высота или толщина короткозамкнутого кольца, определяющим является условие равенства

площадей поперечного сечения короткозамкнутого кольца и первичной обмотки (шины) с измеряемым током (рисунок 6, таблица 4).

Рисунок 4 — Картина распределения линий индукции магнитного поля системы при различном материале короткозамкнутого кольца

а) во эаюра в) 0,5 чм ■) I мч

Рисунок 5 - Картина распределения линий индукции магнитного поля системы при воздушном зазоре сердечника

Таблица 3 - Значения магнитного потока при воздушном зазоре в сердечнике

Таблица 2 - Значения магнитного потока при различном материале короткозамкнутого кольца

Материал кольца Магнитный поток (Вб), Ф = ф -е" т т Сдвиг фаз,0 И=к -

Латунь 2,821 НО"5 -е"1"" 2,43

Дюраль 1,0671-1 (Т! ■е'ш"г 0,33

Медь 7,0446 КГ5- е*"* 1.45

Воздушный зазор (о) Магшггаын поток . (Вб). Фт=Ф -е» ™ т Сдвиг фаз,°

0 мм 10,457-Ю"6-е*9-71' 0,29

0,5 мм 9,4668-10"6 -е'99-"* 9,11

1 мм 8,7453-10-* 16,51

а) 11=12 мм; с=4 мм; 81=48 мм* б) Ь=24 мм; е=2 ни. мм-

Рисунок 6 — Картина распределения линий индукции магнитного поля при варьировании высоты и толщины короткозамкнутого кольца (8 1 =48 мм2) Таблица 4 — Значения магнитного потока при варьировании высоты и толщины короткозамкнутого кольца

Сеченне Маппггньш поток. Во <2> - Ф V "> т Сдвиг фаэ.° ч\=кл ~ Рсс

1 - 1 1.556М0Г5 -е1*" 0,03

2-2 1,5723-10'•с."""1* 0,02

В третьей главе проведен сравнительный анализ современных датчиков измерения переменного тока, в результате которого было выявлено, что наиболее часто применяемым измерителем переменного тока в промышленности является трансформатор тока. Его главным недостатком является возникновение аварийной ситуации в случае размыкания вторичной короткозамкнутой обмотки. Поэтому вопрос применения рассматриваемого трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом с разомкнутой сигнальной обмоткой является актуальным. Автором также разработана методика расчета конструктивных параметров рассматриваемого трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом с разомкнутой сигнальной обмоткой, позволяющая учитывать значение фазовой погрешности и значение выходого напряжение сигнальной обмотки. Приведены результаты расчета конструкции этих датчиков на 50 А и на 500 А. Соответствие реальной и заданой фазовой погрешности подтверждены результатами расчета комплексного значения магнитного потока в программном комплексе ЕЬСШ".

В результате сравнительного анализа фазовой погрешности трансформаторного датчика тока с коротозамкнутым кольцом и

промышленного трансформатора тока было выявлено, что фазовая погрешность трансформаторного датчика тока меньше фазовой погрешности трансформатора тока при одинаковых исходных данных (значение измеряемого тока), конструкции сердечника и шины с первичным током.

Кроме того, в главе 3 приведены результаты экспериментального исследования (схема экспериментальной установки представлена на рисунке 7). В ходе эксперимента одновременно осуществлялась регистрация измеряемого тока и выходного напряжения сигнальной обмотки рассматриваемого трансформаторного датчика тока. Измерение первичного тока осуществлялось промышленным трансформатором тока. Осциллограммы кривых тока и напряжения сигнальной обмотки представлены на рисунке 8. Из данных, приведенных на рисунке 8 следует, что практически совпадают по фазе и форме выходные сигналы трансформатора тока и трансформаторного датчика тока, это доказывает возможность практического использования такого датчика в различных системах автоматики и электроснабжения, также это свидетельствует о достоверности результатов исследования электромагнитного поля трансформаторного датчика тока в программном комплексе ЕЬСиТ.

Рисунок 7 — Схема экспериментальной установки: ТТ (к-п=80; = 0,1 Ом); 1 — шина с током; 2 — ферромагнитный шихтованный сердечник; 3 - сигнальная обмотка датчика тока (\ус=50, с1с=0,1 мм); 4 - короткозамкнутое кольцо из дюраля

Рисунок 8 - Осциллограммы напряжений при первичном токе в шине I |т=300 А: 1 -трансформаторного датчика тока; 2 - промышленного трансформатора тока Также в главе 3 была экспериментально проверена нагрузочная

способность трансформаторного датчика тока, в результате выявлено, что

значение выходного напряжения сигнальной обмотки не зависит от

величины сопротивления нагрузки начиная от нескольких сот Ом. Это

позволяет говорить о том, что подобный датчик тока возможно использовать

в системах автоматики, микропроцессорной и вычислительной технике.

В четвертой главе был проведен анализ существующих способов

определения короткозамкнутых витков в обмотках трансформаторов, в

результате которого было выявлено, что существующие способы

диагностики трансформаторов требуют дорогостоящего оборудования и

значительных затрат времени. В ходе выполнения диссертационной работы

были разработаны способы диагностики трансформаторов на наличие

короткозамкнутых витков по исследованию электромагнитного поля

трансформаторов с короткозамкнутыми витками. При возникновении

короткозамкнутых витков в обмотках трансформатора происходит

выпучивание переменного магнитного потока во внешнюю область

трансформатора (рисунок 9). Выпучивание магнитного потока может быть

обнаружена путём измерения переменного магнитного поля по периметру

трансформатора магнитометром, например, датчиком Холла или катушкой

индуктивности.

Рисунок 9 — Схема расположения оборудования для диагностики короткозамкнутых витков трансформатора: 1 -обмотка с КЗ витком; 2 — сердечник; 3- датчик; 4-индикатор; 5-КЗ виток Также при возникновении короткозамкнутого витка в обмотке

трансформатора возрастает значение тока холостого хода первичной

обмотки, по изменению этого тока можно судить о наличии

короткозамкнутых витков.

Определение наличия короткозамкнутых витков на основе исследования электромагнитного поля не требует дорогостоящего диагностического оборудования, просто в проведении и позволяет получить результат диагностики с высокой достоверностью обнаружения наличия и места расположения КЗ витка.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые проведены исследования электромагнитного поля трансформатора с короткозамкнутыми витками с учетом действия вихревых токов, нелинейности материала сердечника, конструктивных параметров, электрических и магнитных характеристик элементов конструкции и их расположения в пространстве.

2. На основе результатов исследований электромагнитного поля трансформаторов с короткозамкнутыми витками, показана возможность создания безопасного трансформаторного датчика тока, содержащего короткозамкнутый виток (кольцо) и сигнальную разомкнутую обмотку.

3. На основе результатов исследования электромагнитного поля трансформаторов напряжения или тока, доказана возможность определения наличия короткозамкнутых витков.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: Статьи в периодических научных изданиях по перечню ВАК

1. Попов А. П., Клименко К. А. Исследование электромагнитного поля силового трансформатора напряжения в режиме холостого хода при наличии короткозамкнутых витков // Естественные и технические науки - 2013 -Вып. 2.(64).-С. 184-188.

2. Клименко К. А. Исследование влияния короткозамкнутых витков на электромагнитное поле трансформатора // Естественные и технические науки. - 2012. - Вып. 6.(62). - С. 360-364.

3. Попов А. П., Клименко К. А. Расчет сигнала трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом по заданным геометрическим размерам и параметрам сигнальной обмотки // Омский научный вестник -2012.-Вып. 2.(110).- С.186-189.

4. Попов А. П., Клименко К. А. Исследование электромагнитного поля системы «шина с током - ферромагнитный сердечник, окруженный короткозамкнутым электропроводящим кольцом» // Омский научный вестник.-2011.-Вып. 3.(103).- С.160-164.

5. Клименко К. А. Исследование влияния конструктивных параметров короткозамкнутого кольца на электромагнитное поле системы «шина с током - ферромагнитный шихтованный замкнутый сердечник» // Омский научный вестник. - 2011. - Вып. 3.(103). - С. 174-178.

Статьи в периодических научных изданиях, материалы региональных и международных конференций

6. Клименко К. А. Нагрузочная способность датчика тока с короткозамкнутым кольцом // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность : матер. IV Всерос. молодежной науч.-техн. конф - Омск-Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 62 - 65.

7. Клименко К. А. Применение аморфного железа для улучшения электромагнитных характеристик трансформаторного датчика тока // «Инновационные подходы и современная наука»: материалы международной заочной научно-практической конференции. (13 февраля 2012 г.); [под. ред. Я. А. Полонского]. Новосибирск: Изд. «ЭКОР-книга», 2012.-е. 33-38.

8. Клименко К. А. Влияние воздушного зазора магнитопровода на электромагнитное поле системы «шина с током - шихтованный магнитопровод, окруженный короткозамкнутым кольцом» // Техника и технология: новые перспективы развития: Материалы III международной научно - практической конференции (30.09.2011). - М.: Издательство «Спутник +», 2011.-С. 26-30.

9. Клименко К. А. Экранированный датчик тока с сердечником из аморфного железа // Техника и технология: новые перспективы развития: Материалы III международной научно - практической конференции (30.09.2011). -М.: Издательство «Спутник +», 2011. - С. 30-34.

10. Клименко К. А. Исследование влияния магнитных свойств материала сердечника на электромагнитное поле системы «шина с током -

шихтованный сердечник, окруженный короткозамкнутым кольцом» // Аспирант и соискатель.-№4(64).-2011.- С. 65-69.

11. Клименко К. А. Исследование влияния материала короткозамкнутого кольца на электромагнитное поле системы «шина с током - ферромагнитный шихтованный сердечник, окруженный короткозамкнутым электропроводящим кольцом» // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность : матер. IV Всерос. молодежной науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 57 - 59.

12. Клименко К. А. Результаты численного расчета влияния поперечного сечения магнитопровода на электромагнитное поле датчика тока с короткозамкнутым кольцом // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность : матер. IV Всерос. молодежной науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 59 - 62.

13. Клименко К. А. Сравнительный анализ современных датчиков тока // Молодой ученый. - №8 (31). -2011. - Том 1.-С. 66-68.

14. Попов А. П., Клименко К. А. Экспериментальное исследование электромагнитного процесса в системе линейный проводник с током, окруженный электропроводящим цилиндром. // Омский регион — месторождение возможностей : матер, науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 269 - 271.

15. Popov А. P., Klimenko X. A. Research of influence of the magnetic properties of core material on the electromagnetic field of system // Przemysl. Nauka i studia, 2012.C.75-79.

Подписано в печать 22.1 1.2013. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 669

Отпечатано в «Полиграфическом центре КАН» тел. (3812) 24-70-79, 8-904-585-98-84.

E-mail: pc_kan@mail.ru 644050, г. Омск, ул. Красный Путь, 30 Лицензия ПЛД № 58-47 от 21.04.97

04201 455024

«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КЛИМЕНКО Ксения Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМИ ВИТКАМИ

Специальность 05.09.01 -«Электромеханика и электрические аппараты»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - Заслуженный работник Высшей школы РФ,

доктор технических наук, профессор Попов Анатолий Петрович

На правах рукописи

Омск-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 5

Глава 1.1. Методы анализа и расчета электромагнитных процессов в

трансформаторе с ферромагнитным сердечником............................... 18

1.2. Выводы по главе 1................................................................... 26

Глава 2. Исследования электромагнитного поля трансформатора тока с ферромагнитным сердечником с корогкозамкнутой вторичной обмоткой................................................................................. 27

2.1. Анализ влияния поперечного сечения и числа витков вторичной обмотки трансформатора тока в режиме короткого замыкания............... 27

2.2.Исследование электромагнитных процессов в системе «трансформатор тока- короткозамкнутое электропроводящее кольцо, охватывающее сердечник»............................................................ 33

2.3.Влияние конструктивных параметров на электромагнитное поле системы «трансформатор тока - короткозамкнутое электропроводящее кольцо, охватывающее сердечник»................................................. 44

2.3.1 .Влияние магнитных свойств материала сердечника....................44

2.3.2.Влияние конструктивных параметров короткозамкнутого кольца............................................................................................................................................................................49

2.3.3.Влияние материала короткозамкнутого кольца................................56

2.3.4.Влияние поперечного сечения сердечника............................................60

2.3.5. Влияние воздушного зазора сердечника........................ 64

2.4.Выводы по главе 2............................................................ 67

Глава 3. Исследование возможности построения датчика тока на основе

применения короткозамкнутого кольца............................................ 70

3.1 .Обзор современных методов измерения силы тока................... 70

3.2.Вопросы разработки трансформаторного датчика тока с

короткозамкнутым кольцом........................................................... 77

3.2.1. Расчет конструктивных параметров трансформаторного

датчика тока с короткозамкнутым кольцом....................................... 79

3.3.0 нагрузочной способности сигнальной обмотки трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом............. 88

3.4. Сравнительный анализ фазовой погрешности промышленного трансформатора тока и трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом........................................................... 91

3.5. Экспериментальные исследования трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом................................................. 96

3.6. Выводы по главе 3........................................................... 102

Глава 4. Исследование внешнего электромагнитного поля трансформатора переменного тока при возникновении короткозамкнутых витков и обоснование возможности обнаружения короткозамкнутых витков............................................................. 104

4.1. Анализ существующих способов обнаружения витковых замыканий в электрических машинах и аппаратах.............................. 105

4.2.Предлагаемые способы диагностики трансформатора на наличие короткозамкнутых витков по изменению электромагнитного поля трансформатора.................................................................. 108

4.2.1 .Способ диагностики по току холостого хода..................... 108

4.2.2. Способ диагностики по изменению внешнего переменного

магнитного поля трансформатора......................................................................................................117

4.3. Выводы по главе 4......................................................................................................................122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................................124

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ А............................................................................................................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ Б..............................................................................................................................................144

Актуальность работы

В электроэнергетике широко распространенными преобразователями тока и напряжения являются силовые трансформаторы и измерительные трансформаторы тока и напряжения. К электроэнергетическому оборудованию, как в частности и к трансформаторам, предъявляются высокие требования надежности и экономичности [26]. Конструктивные параметры принято определять путем исследования электромагнитных процессов, протекающих в трансформаторе с использованием схем замещения. В электротехнике описание электромагнитных процессов принято рассматривать с двух позиций: с позиции теории электромагнитного поля и теории электрических цепей. Теория поля развивается на основе уравнений Максвелла, а теория цепей - на основе уравнений Кирхгофа [42].

В настоящее время теория электрических цепей хорошо развита и находит широкое применение, как для анализа электромагнитных процессов в установившемся режиме, так и переходном [35, 41, 66]. Анализ процессов в электрических цепях электромагнитных устройств осуществляется с использованием электрических схем замещения, параметры которых обычно определяются экспериментально, что требует применения специальных измерительных приборов и сопряжено с большими затратами времени. Как известно, более полное представление об электромагнитных процессах можно получить на основе исследования пространственного распределения характеристик электромагнитного поля в электромагнитных устройствах (векторов напряженности магнитного поля и магнитной индукции).

В связи с этим, представляет как научный, так и практический интерес исследование электромагнитного поля трансформаторов, как в рабочем режиме, так и в режиме короткого замыкания. Возникновение короткого

замыкания одного или нескольких витков может привести к аварийной ситуации.

Значимость задачи обеспечения энергетической безопасности, которая возможна лишь при условии безаварийной работы электроэнергетического оборудования, в том числе и трансформаторов, в Российской Федерации нашла отражение в Федеральном законе «О техническом регулировании» и в принятой Правительством РФ «Энергетической стратегии России на период до 2020 года».

Работы в направлении исследования электромагнитного поля электроэнергетического оборудования интенсивно велись такими учеными, как К. С. Демирчян, В. М. Юринов, Н. В. Коровкин, П. А. Бутырин, Е. В. Кононенко, Г. А. Сипайлов, И. П. Копылов, А. В. Богдан, К. Шимони [18, 42, 60, 61, 62]. В области численного расчета электромагнитного поля различных устройств активно работают ученые: Е. Г. Андреева, А. П. Попов, А. С. Татевосян [8, 93, 98]. Работы в направлении диагностирования электроэнергетического оборудования на наличие короткозамкнутых витков интенсивно велись в научной школе академика К. С. Демирчяна и нашли отражение в работах Ю. П. Аксенова, Б. А. Алексеева, Н. В. Силина и др. [2, 3, 6, 36, 101]. Вопросами разработки промышленных трансформаторов тока посвящены работы ряда ученых и инженеров, таких как Р.Ф. Раскулов, А. J1. Гуртовцев, О. И. Баглейбтер, и др. [32, 97, 102]. Среди зарубежных ученых, работающих в этом направлении, следует выделить Е. Lemke, J. Harley, А. Vilson [125, 126, 127].

Результаты моделирования электромагнитного поля электрических машин и трансформаторов в рабочих режимах описаны в работах профессора Ю. Я. Щелыкалова [120]. В известной автору литературе не рассматриваются вопросы исследования электромагнитного поля трансформаторов с учетом нелинейности сердечника, поверхностного эффекта, полей рассеяния

магнитного потока и наличия короткозамкнутых витков в обмотках трансформатора. Учет влияния перечисленных факторов имеет важное практическое значение и позволяет решить некоторые прикладные задачи.

Существующие способы диагностики трансформаторов на наличие короткозамкнутых витков [34, 37, 40, 81, 82, 84 и др.] являются достаточно трудоемкими и требуют дополнительно измерительного оборудования, что увеличивает временные затраты и стоимость процесса диагностирования. Поэтому в электроэнергетике актуальной является проблема получения простых и эффективных способов диагностики трансформаторов.

Объектом исследования является трансформатор промышленной частоты с короткозамкнутыми витками.

Предметом исследования является влияние короткозамкнутых витков на электромагнитные процессы в трансформаторе.

Цель диссертационной работы Анализ электромагнитного поля трансформаторов промышленной частоты с короткозамкнутыми витками, позволяющий учитывать действие вихревых токов (поверхностного эффекта), нелинейности основной кривой намагничивания, геометрических размеров элементов конструкции для расширения области практического применения трансформаторов с короткозамкнутыми витками и определения наличия короткозамкнутых витков в обмотках.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторе при наличии короткозамкнутых витков с учетом конструктивных параметров, электрических и магнитных характеристик элементов конструкции и их расположения в пространстве.

2. На основе теоретических исследований доказать возможность построения безопасного трансформаторного датчика тока, на основе замены вторичной

обмотки трансформатора тока короткозамкнутым кольцом и введения в конструкцию разомкнутой сигнальной обмотки, на которой индуцируется выходной сигнал.

3. Определить влияние конструктивных параметров предлагаемого трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом на электромагнитные процессы с целью оптимизации электромагнитных характеристик этого датчика.

4. Исследовать зависимость фазового сдвига между измеряемым током и напряжением сигнальной обмотки.

5. Сопоставить фазовую погрешность промышленного трансформатора тока и рассматриваемого в работе датчика тока с короткозамкнутым кольцом.

6. Рассмотреть возможность использования полученных результатов по исследованию электромагнитного поля рассматриваемых трансформаторов для обнаружения короткозамкнутых витков.

Методы исследования Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы, базирующиеся на теории электромагнитного поля с использованием комплексного метода расчета, компьютерного моделирования электромагнитного поля методом конечных элементов. Основу методологии работы составляют фундаментальные положения теоретической электротехники, методы математической обработки результатов, методы цифровой обработки сигналов, а также натурные эксперименты.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Результаты исследования электромагнитных процессов, протекающие в трансформаторе при наличии короткозамкнутых витков на основе построения численной модели поля для определения дифференциальных и интегральных параметров трансформатора.

2. Возможность построения безопасного датчика тока широкого применения в системах автоматики и электроснабжения.

3. Возможность осуществлять диагностику трансформаторов на наличие короткозамкнутых витков.

Достоверность научных положений и выводов Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, обеспечивается использованием корректного математического аппарата, позволяющего получать результаты с высокой точностью, совпадением результатов расчетов одних и тех же процессов различными методами и совпадением результатов компьютерного моделирования с результатами, полученными в экспериментальных условиях.

Научная новизна работы К основным научным результатам, которые получены автором, включены в диссертацию и представляются к защите, относятся следующие положения:

1. Впервые исследовано электромагнитное поле трансформатора с короткозамкнутыми витками, с учетом нелинейности ферромагнитного сердечника, поверхностного эффекта и полей рассеяния.

2. Обоснована возможность построения безопасного датчика тока с приемлемой для практики погрешностью измерения первичного тока, достигаемой за счет введения в конструкцию короткозамкнутого кольца, экранирующего магнитный поток сердечника, созданный первичным током и сигнальной разомкнутой обмотки.

3. В результате численных расчетов электромагнитного поля трансформатора с короткозамкнутым кольцом и сигнальной обмоткой, намотанной тонким проводом поверх кольца, или под кольцом при соответствующей полярности включения сигнальной обмотки установлено, что фаза выходного напряжения, наводимого на сигнальной обмотке, совпадает с

начальной фазой измеряемого тока и пропорциональна измеряемому переменному току.

4. На основании численных результатов исследования электромагнитного поля силового трансформатора показана возможность определения наличия короткозамкнутых витков в обмотках трансформаторов.

Практическая значимость работы:

- показана возможность использования трансформатора с короткозамкнутым кольцом в качестве датчика тока с разомкнутой сигнальной обмоткой;

- установлена возможность обнаружения наличия короткозамкнутых витков в силовых трансформаторах с использованием датчиков Холла;

- разработанная методика расчета конструктивных параметров трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом позволяет проектировать датчики для различных систем автоматики.

Реализация результатов работы

В ООО «Энергосервис» внедрен способ диагностики трансформаторов на наличие короткозамкнутых витков по изменению внешнего переменного магнитного поля. В ФГБОУ ВПО «Омский Государственный Технический Университет» (г. Омск) в качестве учебных стендов для проведения лабораторных работ используются образцы трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом. Сделана заявка на способ контроля электроэнергетического оборудования (входящий номер 018412, регистрационный номер 2013112450 от 19 марта 2013 года), которая прошла формальную экспертизу и проходит рассмотрение по существу предложения.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: «III Международной научно-практической конференции «Техника и технология:

новые перспективы развития» г. Москва, 2011 г.; Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!» г.Омск, 2011 г.; Региональной научно - технической конференции «Омский регион - месторождение возможностей» г.Омск, 2011 г.; Международной конференции «Инновационные подходы и современная наука» г.Новосибирск, 2012 г.; Международной научно-практической конференции «Научное пространство Европы» г. Белград, 2012 г. Научных семинарах кафедры (2010 - 2013 гг.).

Публикации

По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 15 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК: «Естественные и технические науки» - Вып.2.(64). -Москва, 2013 г. (1 статья); «Естественные и технические науки» - Вып.6.(62). -Москва, 2012 г. (1 статья); «Омский научный вестник» - Вып.2.(110). - Омск, 2012 г. (1 статья); «Омский научный вестник» - Вып.3.(103). - Омск, 2011 г. (2 статьи); 1 статья на английском языке в журнале «Каика \ 8ШсНа», Польша. Подана заявка на патент на способ контроля электроэнергетического оборудования (входящий номер 018412, регистрационный номер 2013112450 от 19 марта 2013 года).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 156 страницах, содержит 57 рисунков, 37 таблиц и 127 литературных источника.

Содержание работы отражено в четырех главах.

Во введении обоснована актуальность данной диссертационной работы, сформулирована цель и задачи исследований, перечислены основные результаты, выносимые на защиту, определена их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе описаны численные методы решения краевых задач по расчету исследования электромагнитного поля электротехнических устройств.

Поскольку применение эквивалентных схем замещения и других упрощающих инженерных методик расчета параметров трансформатора не всегда возможно, в данной работе показано, что наиболее полную картину происходящих электромагнитных процессов в трансформаторе с учетом нелинейных свойств материала магнитопровода трансформатора, потерь мощности в магнитопроводе и обмотках можно получить в результате численного расчета электромагнитного поля трансформатора с использованием современных программных комплексов прямого моделирования физических полей.

При анализе электромагнитного поля трансформатора можно считать, что оно является п