Определение диагностических параметров трансформатора в режиме искусственного намагничивания

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСФОРМАТОРА В РЕЖИМЕ ИСКУССТВЕННОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ

В.К. КОЗЛОВ, И.А. МУРАТАЕВ, Г. А. МУРАТАЕВА Казанский государственный энергетический университет

Рассмотрены вопросы диагностики силовых трансформаторов в режиме искусственного намагничивания магнитопровода и аналитического разделения потерь на гистерезис и вихревые токи. Определены диагностические параметры и их изменение при различных дефектах. Представлены результаты измерений.

С увеличением срока службы силовых трансформаторов в энергосистеме становится актуальным вопрос их безаварийной работы. Это, в свою очередь, ставит проблему качественной диагностики для выявления возможных дефектов магнитной системы трансформатора, что важно при решении вопроса о дальнейшей эксплуатации длительно работавших трансформаторов.

Ряд повреждений в элементах магнитной системы неизбежно приводит к отключению трансформатора и длительному ремонту в условиях специализированных предприятий. К числу характерных повреждений магнитной системы следует отнести: местный пожар в стали, с выгоранием части листов стали шихтованного магнитопровода, замыкание отдельных листов между собой, повреждение изоляции стяжных шпилек магнитопровода. Наличие дефектов или ухудшение изолирующих свойств межлистовой изоляции приводит к снижению удельного сопротивления межлистовой изоляции пакетов магнитопровода и увеличению потерь холостого хода трансформатора.

Известен способ диагностики магнитной системы путем измерения потерь холостого хода при малом напряжении [1]. Потери холостого хода при малом напряжении для трансформаторов мощностью 10МВА и более измеряют при операционных испытаниях в процессе сборки трансформатора с целью: проверки отсутствия межвитковых коротких замыканий, обнаружения неодинакового числа витков в параллельно соединенных катушках, ошибочных соединений обмоток или устройств переключения и других подобных дефектов.

Результаты измерений сильно зависят от величины остаточного намагничивания сердечника трансформатора, являющегося следствием внезапного обрыва тока при отключении трансформатора. Величина намагничивания является случайной величиной и зависит только от фазы тока в момент отключения трансформатора. Поэтому для получения достоверных результатов потерь в стали, магнитопровод трансформатора необходимо размагнитить. Процедура размагничивания, заключающаяся в поочередной подаче постоянного тока на одну из обмоток каждого стержня, также не позволяет однозначно утверждать, что сердечник размагничен до нулевого значения остаточной индукции, так как нет возможности проконтролировать остаточную намагниченность сердечника. Таким образом, измерив потери холостого хода невозможно однозначно определить, является ли разброс значений результатом остаточного намагничивания или развивающегося дефекта.

Для исключения влияния остаточного намагничивания, повышения чувствительности и избирательности методов диагностики, в частности метода

© В.К. Козлов, И.А. Муратаев, Г.А. Муратаева Проблемы энергетики, 2008, № 9-10

измерения потерь холостого хода, предлагается проводить измерения в режиме искусственного намагничивания магнитопровода постоянным током от постороннего источника. С этой целью возбуждают постоянным током одну из обмоток, например обмотку высокого напряжения, стержня с замкнутой накоротко обмоткой, низкого напряжения. Несмотря на то, что на стороне высокого напряжения (ВН) двух фаз трансформатора может трансформироваться напряжение, подаваемое со стороны обмотки низкого напряжения, подключение источника постоянного тока к фазе ВН, при закороченной обмотке низкого напряжения той же фазы, абсолютно безопасно, так как на этой фазе напряжение не трансформируется.

Увеличивая ток намагничивания до значений тока холостого хода, можно перевести сердечник в режим насыщения, то есть режим несимметричного намагничивания. Перемагничивание при переменном токе происходит по динамическим петлям, площадь которых пропорциональна общим потерям в стали за цикл. Динамические петли отличаются от статических петель большим разнообразием, так как их вид зависит не только от магнитных свойств материала, но и от геометрических параметров сердечника [2]. Вариации тока намагничивания позволяют перенести рабочую точку диагностирования в любую область кривой намагничивания. Измерения в режиме намагничивания позволяют демаскировать дефекты, обусловленные изменением геометрии магнитных конструкций под действием магнитного поля, которые проявляются только в рабочем режиме и исчезают со снятием напряжения. Например, элемент конструкции, притягиваясь к сердечнику, образует мостик для циркуляции вихревого тока; после снятия поля мостик разрывается, и при проведении опыта холостого хода на малом напряжении полученные результаты не превышают допустимые отклонения.

Расширить диагностические возможности метода можно путем разложения потерь на составляющие. Как известно, потери в стали состоят из двух основных составляющих потери на гистерезис и потери на вихревые токи (токи Фуко). Схема замещения ветви намагничивания с разделением потерь на вихревые токи и гистерезис, обеспечивающая сохранение энергетических соотношений, показана на рис. 1.

А I?» Г.І Н-9 /.-»

Рис. 1. Схема замещения трансформатора с разделением потерь на гистерезис и вихревые токи

В представленной схеме замещения: элементы Л1, і1, Л2, Ь2 характеризуют первичную и вторичную обмотки трансформатора;

Ьа - представляет индуктивность намагничивающего контура

трансформатора;

Ят - нелинейное сопротивление, отражающее потери на гистерезис в зависимости от напряжения и ветви намагничивания;

Яв, Ьв - это условная ветвь, на которой выделяется мощность, равная магнитным потерям на вихревые токи.

Потери активной мощности в контуре вихревого тока с учетом индуктивности вихревого контура можно представить эквивалентной схемой (рис. 2).

Рис. 2. Потери активной мощности на вихревые токи в материале сердечника Активная мощность вихревых потерь определяется как

Рв = *в •1 В,

где вихревой ток Iв = —— ; Zв = л/яВ + XВ - полное сопротивление контура; Яв

2 В

- активное сопротивление контура вихревого тока; Хв - индуктивное сопротивление контура вихревого тока; —— - напряжение ветви намагничивания.

Потери на гистерезис равны площади, ограниченной петлей гистерезиса. Заменим петлю магнитного гистерезиса эквивалентным эллипсом (рис. 3), большая ось которого равна

2 • а =

2  и

зіп(а) ’

где а - угол наклона касательной кривой намагничивания Б=/(И); — напряжение ветви намагничивания.

Рис. 3. Частный гистерезисный цикл © Проблемы энергетики, 2008, № 9-10

Меньшую ось эллипса можно представить как функцию от напряжения:

2 • Ь = /—)= к • 2 • —т,

где т - показатель степени зависимости гистерезиса от напряжения.

Тогда потери на гистерезис можно выразить через площадь эквивалентного эллипса как

—п

Рг = п • к • а • Ь = п •к

in(a) ’

sin

где n - показатель степени потерь на гистерезис n=m+1; к - масштабный коэффициент.

Полные потери активной мощности в сердечнике магнитопровода можно представить как

Un U2

Пт — п  к '  ( \ + .

sin (a) Rb

Таким образом, зависимость полных потерь активной мощности при различных напряжениях можно аппроксимировать кривой вида

Рап — ^1  Un + A2  U2,

где A2 - коэффициент вихревых потерь; A1 - коэффициент потерь на гистерезис.

Для аналитического определения коэффициентов А1, А2 необходимо измерить потери при различных напряжениях. Зависимость мощности потерь от величины подаваемого напряжения называется вольт-ваттной характеристикой трансформатора. Аппроксимация вольт-ваттной характеристики в соответствии с выражением (1) позволяет определить коэффициенты, пропорциональные потерям на гистерезис, и вихревые токи.

Для обработки результатов измерений экспериментально полученных вольт-ваттных характеристик и нахождения параметров A1, A2 разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать процесс диагностики.

Вольт-ваттные характеристики могут быть сняты при различных токах намагничивания магнитопровода постоянным током, а получаемые при этом параметры A1, A2 позволяют расширить возможности диагностики.

Формирующиеся дефекты влияют на величину составляющих потерь. При витковом замыкании или образовании короткозамкнутых мостиков,

охватывающих сердечник, изменяется соотношение между составляющими потерь на вихревые токи и гистерезис, поэтому отношение A1/A2 может служить информативным параметром для диагностики.

Витковое замыкание обмоток - наиболее распространенный вид дефектов. Короткозамкнутый виток создает размагничивающее поле, направленное против основного потока. Уменьшение индукции магнитного поля в сердечнике уменьшает долю потерь на гистерезис, что характеризуется уменьшением коэффициента A1. Активные потери в короткозамкнутом витке вызывают увеличение коэффициента A2, соответственно уменьшается диагностический параметр A1/A2.

При подмагничивании постоянным магнитным полем индуктивность короткозамкнутого витка изменяется, доля вихревых потерь значительно превосходит потери на гистерезис. При этом диагностический параметр Л1/Л2 имеет существенно меньшее значение по сравнению с нормальным режимом.

Нарушение изоляции пластин электротехнической стали магнитопровода вызывает локальные изменения электромагнитных характеристик магнитопровода и приводит к образованию электромагнитной «линзы». Образование электромагнитной «линзы» в теле магнитопровода приводит к перераспределению магнитного поля в сечении магнитопровода. Магнитное поле вытесняется в неповрежденную часть магнитопровода, где из-за увеличения индукции растут потери на гистерезис. В объеме электромагнитной «линзы» соответственно возрастают квадратичные потери. Значение диагностического параметра незначительно меньше значения для нормального режима, однако при намагничивании постоянным магнитным полем, вследствие насыщения материала магнитопровода и уменьшения вихревого тока в «линзе», наблюдается уменьшение диагностического параметра Лх/Л2.

На рис. 4 показаны результаты измерений потерь холостого хода трансформатора ТМ-100кВА в нормальном состоянии и после искусственно созданного дефекта. Стальная лента, охватывающая 30% сечения магнитопровода, создает эффект повреждения межлистовой изоляции. Результаты измерений по предложенной методике с подмагничиванием трансформатора постоянным током и последующим нахождением отношения Л1/Л2 представлены на рис. 5, имеют более существенную разницу между нормальным и аварийным режимами.

7 -6 -5 -£ 4 '

<С з -

2 -1

0 -о

Рис. 4. Зависимость потерь холостого хода для трансформатора ТМ-100/10/0,4 для нормального состояния и при наличии дефекта

А,,

4

3.5

3

2.5 2

1.5

1

0,5 0

Рис. 5. Зависимость отношения (4іМ2) от тока намагничивания для трансформатора ТМ-100/10/0,4 при отсутствии и наличии дефекта

ТМ-100кВА

10 20 30 40

В случае, если подмагничивание затруднительно или невозможно, диагностику можно провести на основании анализа изменений параметров А1 и А2, полученных по результатам измерения вольт-ваттных характеристик без подмагничивания.

В качестве примера на рис. 6 показаны изменения параметров А1 и А2 для трансформатора напряжения ЗНОМ 10кВ без дефектов и с одним короткозамкнутым витком обмотки высокого напряжения. Составляющая потерь на гистерезис (А1) уменьшается из-за размагничивающего действия короткозамкнутого витка, при этом увеличивается составляющая потерь на вихревые токи (А2).

Рис. 6. Изменение параметров Л1 и Л2 для трансформатора напряжения ЗНОМ 10кВ при

отсутствии и наличии дефекта

На рис. 7 показана чувствительность параметров Л1/Л2 и АР (изменение потерь холостого хода) при образовании короткозамкнутого витка.

Рис. 7. Сравнение чувствительности параметров Л1/Л2 и АР

Выводы

Предложенный способ искусственного намагничивания позволяет снизить нежелательный эффект остаточного намагничивания, а разделение потерь на гистерезис и вихревые токи может применяться как более информативный метод при диагностике силовых трансформаторов.

Измерения, проведенные на трансформаторах предложенным методом, показывают более значительные отклонения параметров при различных видах дефектов, чем измерения, проводимые обычным способом.

Summary

Are considered the questions of diagnostics of power transformers in force magnetizing mode of iron core and analytic interleave of losses on hysteresis and eddy-current. There are determined diagnostic parameters and their dependence on variable damages. Are presented measurements results.

Литература

1. Ашрятов А.К. Измерение потерь холостого хода силовых

трансформаторов // Электрические станции. - 1948. - № 5. - С.34-36.

2. Подгорный Э.В., Хлебников С.Д. Моделирование и расчет переходных режимов в цепях релейной защиты / Под ред. А.Д. Дроздова. - М.: «Энергия»,1974.

Поступила 28.05.2008