Устройство для размагничивания сердечника трансформатора
DEVICE FOR DEMAGNETIZATION OF THE TRANSFORMER CORE

Устройство для размагничивания сердечника трансформатора
Область техники
Изобретение относится к электротехнике, а именно к оборудованию для диагностики силовых трансформаторов и может быть использовано для размагничивания сердечников (магнитопроводов) силовых трансформаторов, в частности, перед проведением опыта холостого хода при малом напряжении. В п. 6.2.3 ГОСТ 3484.1-88 «Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний» перед определением потерь холостого хода трансформатора при малом напряжении предписывается проводить размагничивание сердечника до весьма малых значений остаточной индукции. Размагничивание должно проводиться по процедуре, указанной в п. 6.2.4 этого стандарта. Эта процедура включает первоначальное намагничивание сердечника током, превышающим в два раза номинальный ток холостого хода соответствующей обмотки, а затем ток уменьшают на (30 – 40) % со сменой его направления на противоположное. Далее цикл повторяется. Ток, при котором заканчивается процесс размагничивания, не должен быть больше действующего значения тока, ожидаемого в опыте холостого хода при малом напряжении. Для трансформаторов высокого напряжения (до 500 кВ и более) это значение тока составляет менее 0,2% от первоначального тока намагничивания.
Уровень техники
Известен ряд технических решений, в которых описаны способы и устройства для размагничивания сердечников трансформаторов и других ферромагнитных тел, в частности авторское свидетельство SU 1007137 (опубликовано 23.03.83), патенты US 4456875 (опубликовано 26.06.1984), US 6160697 (опубликовано 12.12.2000).
Указанные устройства включают управляемый источник напряжения и цепи измерения напряжения на обмотке и тока через неё. Для размагничивания малогабаритных сердечников, характерных для измерительных трансформаторов тока, – это вполне приемлемо, но для размагничивания силовых трансформаторов большой мощности требуется мощный источник, имеющий большие стоимость, габариты и потери энергии.
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство, описанное в статье: Makowski N.J. Proposal and Analysis of Demagnetization Methods of High Voltage Power System Transformers and Design of an Instrument to Automate the Demagnetization Process / Masters Thesis at Portland State University. 1-1-2011. URL:
https://pdxscholar.library.pdx.edu/cgi/viewcontent.cgi?referer=https://www.google.ru/&httpsredir=1&article=1430&context=open_access_etds .
В статье описано устройство для размагничивания трансформаторов, блок-схема которого приведена на figure 7, стр. 18 статьи, а упрощенная принципиальная схема – на figure 18, стр. 42. Данное устройство содержит источник постоянного тока (аккумулятор), выключатель и переключатель на электромагнитных реле, балластный и разрядный резисторы, цепи измерения тока и напряжения, систему сбора данных (аналого-цифровой преобразователь) и цифровой процессор. Выключателем регулируется максимальное значение тока на цикле перемагничивания, а переключателем – направление тока. Энергия, накопленная в обмотке в фазе нарастания тока, в фазе спада тока рассеивается на разрядном резисторе. Цифровой процессор (ЦП) через цепи измерения тока и напряжения контролирует процесс размагничивания и управляет электромагнитными реле.
Использование электромагнитных реле с их невысоким быстродействием приводит к необходимости демпфировать выбросы напряжения на обмотке, возникающие при разрыве цепи, с помощью балластного и разрядного резисторов. Кроме того, сброс энергии, накопленной в обмотке, происходящий при уменьшении тока через обмотку, в разрядный резистор, обусловливает потери энергии и нагрев деталей устройства. Как следствие, в конструкцию устройства включены нагрузочные резисторы общей мощностью 1100 Вт, что обусловливает большие габариты и массу изделия. Включение в состав устройства аккумулятора достаточно большой мощности в качестве источника тока намагничивания также ведет к увеличению массы и габаритов. Относительно большое время переключения электромагнитного реле не позволяет получить широкий диапазон изменения тока в процессе размагничивания.
Раскрытие сущности изобретения
Предлагаемое устройство не имеет таких недостатков. Технический результат, который достигается изобретением, состоит в уменьшении массы, габаритов и стоимости устройства, сокращении времени размагничивания, а также повышении экономичности и увеличении диапазона изменения тока в процессе размагничивания. Технический результат достигается за счет того, что в качестве источника тока намагничивания используется промышленная сеть переменного тока, а переключение направления тока и управление максимальным значением тока на цикле перемагничивания осуществляется мостовым выпрямителем-инвертором, построенным на полностью управляемых двунаправленных электронных ключах.
Краткое описание фигур
На фиг.1 изображена упрощенная принципиальная схема патентуемого устройства.
На фиг. 2 приведены графики, поясняющие работу устройства.
На фиг. 3 представлена схема полностью управляемого двунаправленного ключа.
На фиг. 4 приведена осциллограмма тока при размагничивании трансформатора ТРДН-25000/110.
В таблице 1 приведен алгоритм управления ключами устройства.
Устройство для размагничивания сердечника трансформатора содержит (обозначения по фиг.1):
1, 2, 3, 4 – четыре полностью управляемых двунаправленных электронных ключа, образующих мостовой выпрямитель-инвертор 5;
6, 7 – зажимы для подключения промышленной сети переменного тока;
8 – датчик напряжения, например, в виде резистивного делителя;
9 – датчик тока, например, в виде шунта;
10 – аналого-цифровой преобразователь;
11 – цифровой процессор.
12, 13 – зажимы для подключения обмотки размагничиваемого трансформатора.
Осуществление изобретения
Устройство для размагничивания сердечника трансформатора содержит выпрямитель-инвертор 5, который выполнен по схеме моста на четырёх полностью управляемых двунаправленных электронных ключах 1, 2, 3, 4. Одна из диагоналей моста соединена со входными зажимами 6 и 7, предназначенными для подключения к сети переменного тока, а другая, через датчик тока 9, – с выходными зажимами 12 и 13, предназначенными для подключения обмотки размагничиваемого трансформатора 14. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10 преобразует сигналы от датчика напряжения 8 и датчика тока 9 в цифровые коды и передает их ЦП 11, который связан своими цифровыми выходами с управляющими входами ключей 1, 2, 3, 4.
упр
Полностью управляемые двунаправленные ключи могут быть выполнены по схеме, представленной на фиг. 3. Здесь обозначено: 15, 18 – диоды, 16, 17 – БТИЗ или МОП транзисторы, 19, 20 – стабилитроны или супрессоры, предназначенные для защиты транзисторов от перенапряжения, U – напряжения управления транзисторами. Если использовать БТИЗ-транзисторы, снабженные цепями защиты, например, типа STGB35N35LZ, то супрессоры 19, 20 не нужны.
Работу устройства поясняют графики, представленные на фиг. 2, и алгоритм управления ключами цифровым процессором 11, приведенный в таблице 1.
0
m1
1
0
1
обм
m1
1
обм
1
2
обм
2
Процесс размагничивания запускается в момент t (фиг. 2). Поскольку в этот момент напряжение U на входных зажимах 6, 7 положительно, ЦП 11 замыкает ключи 1, 4 и оставляет их замкнутыми до тех пор, пока не сменится полярность U, после чего ЦП размыкает ключи 1, 4 и замыкает ключи 2, 3 и так далее до тех пор, пока ток I через обмотку размагничиваемого трансформатора не достигнет предварительно установленной амплитуды I (момент времени t). На всем протяжении интервала t<t<t направления напряжения на обмотке U и тока через нее I совпадают по направлению, следовательно, энергия идет из сети в обмотку, и имеет место режим выпрямления. По достижении током значения I в момент t, ЦП размыкает ключи 1, 4 и замыкает ключи 2, 3. При этом напряжение U скачком меняет полярность на отрицательную и ток I начинает убывать. Переключение транзисторов ключей происходит очень быстро, за время не более 1 мкс. Возникающая в момент бестоковой паузы ЭДС самоиндукции обмотки ограничивается цепями защиты транзисторов, которые за это время не успевают нагреться. На интервале t<t<t направления напряжения U и тока I противоположны, следовательно, энергия, накопленная в магнитном поле трансформатора, возвращается в сеть, т.е. имеет место режим инвертирования. ЦП продолжает поддерживать этот режим, переключая ключи в зависимости от полярности напряжения сети U. При переходе тока I через нуль (момент t), устройство снова переходит в режим выпрямления. Далее процесс повторяется с уменьшением амплитуды тока до тех пор, пока очередное амплитудное значение тока не достигнет заданной нижней величины или не пройдет заданное количество циклов. После этого ЦП запирает все ключи и на этом процесс размагничивания заканчивается. Оставшееся в обмотке небольшое количество энергии может быть рассеяно в транзисторах ключей, снабженных цепями защиты от перенапряжения.
Пример исполнения
Предлагаемое устройство для размагничивания сердечника трансформатора реализовано в виде компактного прибора и использовано для размагничивания трансформатора ТРДН-25000/110 110/10 кВ мощностью 25 МВА. Размагничивание осуществлялось по обмотке высокого напряжения. С учетом паспортного значения силы тока холостого хода обмотки высокого напряжения трансформатора 0,83 А, выбран начальный ток 2А. Осциллограмма тока представлена на фиг. 4. Десять циклов перемагничивания со снижением амплитуды тока на каждом полуцикле на 30 %, заняли примерно 2,5 минуты при питании устройства от сети переменного тока 220 В, 50 Гц. Конечное значение тока равно приблизительно 2 мА.
Таблица 1Алгоритм управления ключами
№
U
I
<img file="00000001.jpg" he="14" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Ключи
Режим
1
2
3
4
1
>0
≥0, ≤I<sub>mk</sub>
>0
+
–
–
+
Выпрямление
<0
–
+
+
–
2
>0
≥0,
<0
–
+
+
–
Инвертирование
<0
+
–
–
+
3
>0
<0, ≥I<sub>m(k+1)</sub>
<0
–
+
+
–
Выпрямление
<0
+
–
–
+
4
>0
≤0
>0
+
–
–
+
Инвертирование
<0
–
+
+
–
Примечания:1. Знак «+» означает, что ключ включен (замкнут), а знак «–», – что выключен (разомкнут).2. I<sub>mk</sub> – амплитуда тока на k-м полуцикле перемагничивания, k = 1, 3, 5, 7, …