УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ВИТКОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ

Полезная модель относится к области дефектографирования и позволяет обнаруживать повреждения обмоток трансформаторов (витковые замыкания), которые возникают в эксплуатации при аварийных коротких замыканиях (КЗ) и при испытаниях трансформаторов на электродинамическую стойкость при КЗ. Подобное дефектографирование проводится различными методами. Среди этих методов наиболее надежным, а значит применяемым в первую очередь, является метод выявления изменения индуктивности короткого замыкания, по которому можно судить о возникающих дефектах обмоток.
Прототипом является устройство измерения индуктивности короткого замыкания трансформатора, реализуемое в способе измерения индуктивности короткого замыкания трансформатора для дефектографирования состояния обмоток (патент RU 2184999 от 20.04.2001), включающем источник постоянного напряжения, подключаемого к обмотке трансформатора, преобразователь тока в напряжение, аналого-цифрового преобразователь, контроллер.
Недостатком прототипа является то, что параметры витковых замыканий (количества замкнутых накоротко витков обмотки) имеют большой разброс, что требует измерений индуктивности с достаточно большой точностью (порядка десятых долей процента).
Задачей полезной модели является разработка устройства обнаружения витковых замыканий обмоток трансформаторов, в котором устранен недостаток прототипа.
Техническим результатом является возможность измерять переходные процессы в широком диапазоне времен и отстроиться от токов намагничивания трансформатора, измеряя переходный процесс в самом повреждении, а именно в короткозамкнутых витках обмотки трансформатора, что позволяет обнаруживать витковые замыкания в обмотках трансформатора в широком диапазоне поврежденных (замкнутых) витков.
Технический результат достигается тем, что устройство обнаружения витковых замыканий обмоток трансформаторов, состоящее из источника постоянного напряжения, управляемого ключа, преобразователя тока в напряжение, аналого-цифрового преобразователя, контроллера, согласно настоящей полезной модели источник постоянного напряжения выполнен с ограничением выходного тока, выходное напряжение источника постоянного напряжения устанавливается контроллером, первый выход источника постоянного напряжения соединен с входом управляемого ключа, первый выход которого соединен с одним выводом измеряемой обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен с первым выводом преобразователя тока в напряжение, второй вывод которого соединен с заземленной общей точкой, с которой соединены также второй выход источника постоянного напряжения и второй выход управляемого ключа, выход преобразователя тока в напряжение соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом контроллера, первый выход которого соединен с входом источника постоянного напряжения, а второй выход соединен с входом управляемого ключа, при этом контроллер соединен с управляющим устройством.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана блок-схема устройства обнаружения витковых замыканий обмоток трансформаторов. Остальные чертежи поясняют принцип действия полезной модели, так на фиг. 2 - расчетная схема замещения, на фиг. 3 - замыкание индуктивности L на активное сопротивление R, процессы в бездефектном трансформаторе, при отсутствии витковых замыканий (фиг. 4), витковые замыкания трансформатора (фиг. 5), Т-образная модель трансформатора (фиг. 6).
На фиг. 1 цифрами обозначены:
1 - Источник постоянного напряжения.
2 - Управляемый ключ.
3 - Преобразователь тока в напряжения.
4 - Аналого-цифровой преобразователь.
5 - Контроллер.
6 - Первый выход контроллера 5.
7 - Первый выход источника постоянного напряжения 1.
8 - Первый выход управляемого ключа 2.
9 - Первый вывод преобразователя тока в напряжение 3.
10 - Общая точка заземления.
11 - Выход преобразователя тока в напряжение 3.
12 - Вход контроллера 5.
13 - Второй выход контроллера 5.
14 - Шина.
15 - Управляющее устройство.
Контролируемая индуктивность (L) не входит в состав устройства обнаружения витковых замыканий обмоток трансформаторов и является именно той обмоткой трансформатора, к которой подключено устройство.
Устройство содержит (фиг. 1) источник постоянного напряжения 1, который через управляемый ключ 2 подает испытательное напряжение на контролируемую индуктивность L. Ток через индуктивность L измеряется с помощью преобразователя тока в напряжение 3, сигнал которого преобразуется в цифровой вид в аналого-цифровом преобразователе 4. Полученный цифровой сигнал подается на вход контроллера 5. Первый выход 6 контроллера 5 соединен с входом источник постоянного напряжения 1, первый выход 7 которого соединен с управляемым ключом 2. Первый выход 8 управляемого ключа 2 соединен с одним выводом индуктивности L, второй вывод которого соединен с первым выводом 9 преобразователя тока в напряжение 3. Вторые выводы источника постоянного напряжения 1, управляемого ключа 2, преобразователя тока в напряжение 3 соединены с общей точкой заземления 10. Выход аналого-цифрового преобразователя 4 соединен с входом 12 контроллера 5. Второй выход 13 контроллера 5 соединен с входом управляемого ключа 2. Управляющее устройство 15 соединено шиной 14 с контроллером 5.
Устройство обнаружения витковых замыканий обмоток трансформаторов работает следующим образом. При подаче на контролируемую обмотку трансформатора L (фиг. 1) постоянного напряжения 1 контролируется переходный процесс нарастания тока в обмотке и спад тока при последующем замыкании обмотки накоротко. Принцип работы основан на том, что индуктивность короткозамкнутых витков (часть В на фиг. 5) контролируемой обмотки трансформатора значительно меньше полной индуктивности L'o (фиг. 6) контролируемой обмотки трансформатора. Отсюда переходные процессы в короткозамкнутых витках (скорость нарастания и спада тока при подаче постоянного напряжения на обмотку, и коротком замыкании обмотки) происходят значительно быстрее, чем в полной индуктивности контролируемой обмотки трансформатора. Первоначально, под управлением контролера 5, управляемый источник напряжения 1 подает постоянное напряжение на контролируемую обмотку трансформатора (L). Процесс изменения тока измеряется преобразователем тока в напряжение 3, оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе 4 и подается на контроллер 5. При этом на отрезке времени Т1 (фиг. 4) происходит нарастание тока в контролируемой обмотке трансформатора 16. На втором этапе (отрезок Т2) контролируемая обмотка трансформатора замыкается накоротко ключом 2. Весь процесс измерения настраивается, записываются измеренные значения, отображаются полученные результаты управляющим устройством 15.
Рассмотрим основные магнитные соотношения (фиг. 2). Процесс изменения тока в индуктивности, которой является обмотка трансформатора, протекает по экспоненциальному закону. Рассмотрим подачу тока в индуктивность. ЭДС (Е) через активное сопротивление R подает ток в индуктивность L. Ток I в начальный момент времени t=0 равен нулю I(0)=0, ток на бесконечности равен (E/R). При таких граничных условиях изменение тока I от времени t описывается экспоненциальным законом:
где То - постоянная времени RL цепочки: То=L/R. B начальный момент времени (при t порядка 0) зависимость тока от времени можно описать линейным законом:
1
При последующем (спустя некоторое время t) замыкании (фиг. 3) индуктивности L на активное сопротивление R происходит экспоненциальное уменьшение тока I от времени:
1
1
где I(t) - начальное значение тока в момент времени t=t.
1
В начальный момент времени (при t порядка t) зависимость тока от времени можно описать линейным законом:
При протекании тока I по индуктивности L накапливается энергия W:
где Ф - магнитный поток, проходящий по ферромагнитному сердечнику индуктивности L (в качестве которой может быть обмотка трансформатора и его ферромагнитный сердечник). При изменении потока Ф (при изменении тока I, который создает магнитный поток Ф), проходящего по ферромагнитному сердечнику индуктивности L, на катушке наводится ЭДС (Е):
Реальная обмотка трансформатора, кроме индуктивности L, обладает еще собственным активным сопротивлением R. При этом индуктивность L и активное сопротивление R обмотки по-разному зависят от количества витков N обмотки:
1
1
где R и L - активное сопротивление и индуктивность одного витка обмотки трансформатора. Видно, что индуктивность L значительно сильнее (квадратично) зависит от количества витков N обмотки, чем активное сопротивление R обмотки (имеющая линейную зависимость).
Зная основные магнитные соотношения (1-7) можно рассмотреть физические процессы, протекающие при наличии витковых замыканий в обмотке трансформатора. Для начала рассмотрим процессы в бездефектном трансформаторе при отсутствии витковых замыканий (фиг. 4). Процесс измерения заключается в подключении проверяемой обмотки трансформатора к источнику постоянного напряжения 1 с ЭДС, равной Е, в течение времени Т1, при этом Т1 гораздо меньше постоянной времени проверяемой обмотки трансформатора To=L/R>>T1, где L является индуктивностью насыщения проверяемой обмотки трансформатора, R является активным сопротивлением проверяемой обмотки трансформатора. В течение времени Т1 происходит почти линейный рост тока I(t) (2), достигая в конце периода Т1 значения I(T1)~(E/R)*(T1/To). После этого проверяемая обмотка трансформатора замыкается накоротко (фиг.3) и происходит линейный спад тока I(t) (4) на коротком отрезке Т2<<То после замыкания, при этом спад тока I(t) будет незначительным.
Реальные значения для мощных силовых трансформаторов индуктивности L (индуктивность намагничения) и активного сопротивления R имеют значения порядка 1 Гн и 1 Ом (сильно зависит от мощности трансформатора), соответственно постоянная времени обмотки трансформатора To=L/R порядка единиц секунд. Отсюда значения интервалов Т1 и Т2 могут быть порядка 0,1 секунды, и при ЭДС источника постоянного напряжения Е~10 В значения тока I(T1)=(E/R)*(T1/To) будут порядка 1 А. Для измерительных трансформаторов напряжения (которые имеют малые значения мощности) токи I(Т1) будут значительно меньше, и потребуются значительно большие интервалы Т1 и Т2.
Одним из частых дефектов трансформатора являются витковые замыкания, когда часть витков обмотки трансформатора замыкается накоротко (фиг. 5). При этом образуются две части обмотки: неповрежденная часть (А), которая играет роль первичной обмотки трансформатора, и замкнутая накоротко (В), которая работает как вторичная обмотка трансформатора.
Для анализа работы обмотки трансформатора с витковым замыканием рассмотрим Т-образную модель (фиг. 6), где активное сопротивление витков на части А - Ra, индуктивность рассеяния витков на части А - La, активное сопротивление витков на части В - Rb, индуктивность рассеяния витков на части В - Lb, индуктивность насыщения - L'o (которое меньше исходной индуктивности Lo за счет замыкания витков на части В), ЭДС(Е) (все величины приведены к части А).
Заметим, что:
- Индуктивности рассеяния витков La и Lb значительно меньше индуктивности насыщения L'o.
2
- Сопротивление Rb и индуктивность Lb пересчитаны к части А, умножением исходных значений (Rob и Lob) на (Na/Nb), где Na и Nb - количество витков частей А и В соответственно.
- Отсюда постоянная времени Tab (цепи Ra-La-Lb-Rb), равная Tab=(La+Lb)/(Ra+Rb), значительно меньше постоянной времени Т'о (цепи Ra-La-L'o), которая равна T'o=(La+L'o)/Ra.
Таким образом, постоянная времени Tab обмотки с витковым замыканием значительно меньше постоянной времени цепи насыщения Т'о:
Именно на этой разнице (формула (8)) и основан принцип обнаружения витковых замыканий обмоток трансформаторов: проводится измерение постоянной времени в широком диапазоне, и наличие переходных процессов (формулы (1-7)) с малым временем переходного процесса однозначно указывает на витковые замыкания в обмотке трансформатора.
Т-образная модель обмотки трансформатора с витковым замыканием корректно работает для переходных процессов, и для времени t>>T'o данная модель не работает (так при постоянном токе в цепи (фиг. 5) ток на стороне В будет равен нулю). Поэтому рассмотрим отдельно переходные процессы на временах t~Tab и t~Т'о.
- На временах t~Tab будет работать Т-образная модель обмотки трансформатора с витковым замыканием (фиг. 6),и будет происходить нарастание тока по цепи Ra-La-Lb-Rbc постоянной времени Tab, и по формулам (1) и (2).
- В конце интервала t~Tab ток в части В станет постоянным Ib и будет определяться нарастанием тока по цепи Ra-La-L'o с постоянной времени Т'о.
- Из формулы (2) найдем скорость нарастания тока по цепи Ra-La-L'o:
- Из (9) и (6) найдем ЭДС в части В:
- Из (10) найдет постоянный ток в части В:
- Если пренебречь в (11) величиной La, то (11) можно упростить:
- При пересчете на часть А получим быстрый рост тока по цепи Ra-La-Lb-Rbc постоянной времени Tab до величины:
- По величине, до которой быстро нарастает ток Ib из формулы (13), можно оценить количество коротко замкнутых витков: Nb/Na~√(Ib*R/E), оценить ток в цепи короткого замыкания (12).
Таким образом, устройство обнаружения витковых замыканий обмоток трансформаторов измеряет переходные процессы в широком диапазоне времен, что позволяет отстроится от токов намагничения трансформатора, измеряя переходный процесс в самом повреждении, а именно в короткозамкнутых витках обмотки трансформатора. Этим самым достигается технический результат - возможность измерять переходные процессы в широком диапазоне времен и отстроится от токов намагничения трансформатора, измеряя переходный процесс в самом повреждении, а именно в короткозамкнутых витках обмотки трансформатора, что позволяет обнаруживать витковые замыкания в обмотках трансформатора в широком диапазоне поврежденных (замкнутых) витков.