Введение к работе
Актуальность работы
В электроэнергетике широко распространенным преобразователями тока и напряжения являются силовые трансформаторы и измерительные трансформаторы тока и напряжения. К электроэнергетическому оборудованию, как в частности и к трансформаторам, предъявляется 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 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, Ю., А. В. Богдан, Шимони К. 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, A. 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, 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.
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. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
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.
-
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.
-
Определить влияние конструктивных параметров предлагаемого трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом на электромагнитные процессы с целью оптимизации электромагнитных характеристик этого датчика.
-
Исследовать зависимость фазового сдвига между измеряемым током и напряжением сигнальной обмотки.
-
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
-
Результаты исследования электромагнитных процессов, протекающие в трансформаторе при наличии короткозамкнутых витков на основе построения численной модели поля для определения дифференциальных и интегральных параметров трансформатора.
-
Возможность построения безопасного датчика тока широкого применения в системах автоматики и электроснабжения.
-
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:
-
Впервые исследовано электромагнитное поле трансформатора с короткозамкнутыми витками, с учетом нелинейности ферромагнитного сердечника, поверхностного эффекта и полей рассеяния.
-
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.
-
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.
-
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
