Спектральные характеристики трансформатора в режиме искусственного намагничивания. . 

УДК 621.314.222.6

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРА В РЕЖИМЕ ИСКУССТВЕННОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ

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

Рассмотрены вопросы определения спектра тока холостого хода силового трансформатора в режиме искусственного намагничивания для диагностических целей. Представлены результаты практических измерений.

Ключевые слова: диагностика трансформатора, искусственное подмагничивание постоянным током, ток холостого хода.

Выявление медленно развивающихся дефектов в трансформаторах, проявляющихся в незначительных изменениях характеристик, при проведении плановых испытаний достаточно затруднительно. Однако выявление таких дефектов важно, так как такие дефекты могут привести к аварийным ситуациям или к полному выводу из строя трансформатора. С развитием измерительной техники появилась возможность регистрировать измеряемые параметры в цифровой форме, что позволяет выявить малые изменения в форме сигнала с помощью методов спектрального анализа. Рассмотрим возможность оценки состояния трансформатора по спектральной картине тока холостого хода в режиме искусственного намагничивания магнитопровода от источника постоянного тока [1].

Сердечник трансформатора представляет собой нелинейный элемент. Если к нелинейному элементу приложить синусоидальное напряжение, то ток, протекающий через этот элемент, будет несинусоидальным и, наряду с основной частотой, будет содержать высокочастотные гармоники [2]. Трансформатор может быть представлен нелинейным двухполюсником, состоящим из линейных индуктивных, емкостных, активных сопротивлений и нелинейной индуктивности. Величина сопротивления элементов зависит от геометрических параметров сердечника и расположения обмоток [3]. Величина нелинейной индуктивности зависит от магнитной индукции в сердечнике. Магнитная индукция в сердечнике изменяется в зависимости от наличия короткозамкнутых контуров в активной стали, степени распрессовки пакетов активной стали, нарушения межлистовой изоляции пакета стали и расшихтовки стыков стержня и ярма. Кроме того, значение нелинейной индуктивности может изменяться при изменении величины постоянного тока подмагничивания, вследствие перемещения рабочей точки по кривой намагничивания [1]. Таким образом, при изменении величины постоянного тока подмагничивания меняются резонансные характеристики двухполюсника, то есть будет меняться соотношение амплитуд гармоник тока холостого хода [4]. Характеристики изменения гармоник тока холостого хода от величины постоянного тока подмагничивания могут служить диагностическим критерием для оценки изменения состояния трансформатора.

Оценка технического состояния трансформатора была апробирована в ходе практических измерений на трехфазном трансформаторе марки ТМ-100/10-У1. На трансформаторе моделировались такие дефекты, как образование короткозамкнутого витка, нарушение межлистовой изоляции и ослабление стяжки ярмовых балок.

Нарушение изоляции пластин электротехнической стали сердечника вызывает локальные изменения электромагнитных характеристик магнитопровода, то есть образование «электромагнитной линзы». Циркуляция вихревых токов в объеме электромагнитной линзы создает магнитное поле, направленное против основного потока, которое вызывает вытеснение основного магнитного потока к краям магнитопровода.

Для создания эффекта повреждения межлистовой изоляции часть сечения активной стали верхнего ярма охватывается стальной лентой шириной 20 мм. Дефект ослабления стяжки ярмовых балок моделировался увеличением расстояния между верхними ярмовыми балками на 25 мм. Стяжка нижних ярмовых балок осталась без изменения. Короткозамкнутый виток был выполнен из медного провода диаметром

0,25 мм по внешнему слою фазы C обмотки высшего напряжения.

Схема проведения измерений аналогична опыту измерения потерь холостого хода трансформатора при различных уровнях подмагничивания постоянным током [1]. В режиме холостого хода при номинальном напряжении величина максимальной индукции находится в области второго изгиба кривой намагничивания [5]. Следовательно, постоянным током с величиной, большей тока холостого хода трансформатора, можно переместить рабочую точку в область нелинейной характеристики кривой намагничивания. Амплитуда тока холостого хода трансформатора ТМ-100/10-У1 по паспортным данным равна 0,237 А. Таким образом подмагничивание выполнялось постоянным током в диапазоне 0-3,75 А через обмотку высокого напряжения фазы B. Согласно схеме измерения потерь холостого хода, при подмагничивании постоянным током переменное напряжение величиной 150 В подавалось на выводы обмоток фаз a, c низкого напряжения [1]. Измерение тока холостого хода трансформатора ТМ-100/10-У1 в цепи обмоток фаз a, c низкого напряжения проводилось цифровым осциллографом RIGOL DS1062CA. Встроенный USB-хост осциллографа позволяет подключать флэш-память для записи измеряемого сигнала. Для импорта и обработки записанного сигнала разработано программное обеспечение. Программа позволяет определять спектральный состав записанного сигнала с помощью дискретного преобразования Фурье. Также программа предоставляет возможность взвешивать обрабатываемый сигнал весовым окном перед дискретным преобразованием Фурье и проводить нормализацию результатов преобразования по одной из гармоник. Для сглаживания эффекта пульсаций все исходные сигналы перед дискретным преобразованием Фурье взвешивались окном Хэннинга [6]. Были рассмотрены составляющие, кратные 50 Гц, в диапазоне от 2 до 20 гармоники. Рассматриваемые гармоники были нормализованные по амплитуде основной частоты.

На рис. 1 показана зависимость второй гармоники тока холостого хода от постоянного тока подмагничивания для различных состояний трансформатора. Из рисунка видно, что изменение геометрии магнитной системы вызывает отклонение характеристики от нормального состояния. Так, образование электромагнитной линзы приводит к уменьшению амплитуды второй гармоники на участке 100-1400 мА и постепенному приближению к характеристике нормального состояния. Это связано с изменением электрических параметров трансформатора и вытеснением магнитного потока, при увеличении постоянного тока подмагничивания, из сердечника и уменьшению влияния дефекта. Наиболее значительное отклонение вызывает ослабление стяжки ярмовых балок, которое, наряду с изменением электрических параметров, вызывает изменение резонансных свойств электромеханической системы магнитопровода трансформатора.

Рис. 1. Зависимость второй гармоники тока холостого хода от величины постоянного тока подмагничивания при различных дефектах: 1) нормальное состояние; 2) короткозамкнутый виток проводом ¿=0,25 мм; 3) электромагнитная линза; 4) ослаблена стяжка ярмовых балок

Имитация образования короткозамкнутого витка вызывает незначительное отклонение характеристики, составляющей 100 Гц.

Дефекты без резко изменяющихся характеристик в процессе проведения испытаний, такие как образование короткозамкнутого витка, электромагнитной линзы, вызывают уменьшение составляющей 150 Гц по сравнению с нормальным состоянием, рис. 2. Ослабление стяжки ярмовых балок вызывает увеличение третьей гармоники на начальном участке характеристики и резкое уменьшение при больших значениях постоянного тока подмагничивания.

Рис. 2. Зависимость третьей гармоники тока холостого хода от величины постоянного тока подмагничивания при различных дефектах: 1) нормальное состояние; 2) короткозамкнутый виток проводом ¿=0,25 мм; 3) электромагнитная линза; 4) ослаблена стяжка ярмовых балок

Следует отметить, что зависимости гармонических составляющих от постоянного тока намагничивания индивидуальны для каждого трансформатора.

Для выявления особенностей влияния каждого дефекта необходимо создание базы данных образов состояния при различных уровнях постоянного тока подмагничивания для каждого типа трансформаторов при определенной величине прикладываемого напряжения.

Выводы

Проведенные практические измерения показывают возможность применения предложенной методики для оценки состояния трансформатора. Предложенная методика может использоваться совместно с методом измерения потерь холостого хода в режиме искусственного намагничивания при диагностике состояния трансформатора [1].

Summary

Considered are questions of spectral analysis of the no-load current ofpower transformer under forcing magnetization for diagnostic targets. Presented are results of practical measurements.

Key words: diagnosis of transformer, DC-biased magnetization, no-load current

Литература

1. Козлов В.К., Муратаев И. А., Муратаева Г. А. Определение диагностических параметров трансформатора в режиме искусственного намагничивания // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2008. № 9-10. С. 52-58.

2. Стародубцев Ю.Н. Теория и расчет трансформаторов мощности. М.:ИП РадиоСофт, 2005. 320 с.

3. Подгорный Э.В. Хлебников С.Д. Моделирование и расчеты переходных режимов в цепях релейной защиты / Под.ред. А.Д. Дроздова. М.: Энергия, 1974. 208 с.

4. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Изд. 9-е, перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1996. 652 с.

5. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. 528 с.

6. Ричард Лайонс. Цифровая обработка сигналов. 2-е издание: Пер. с анг. М.: ООО "Бином-Пресс", 2007. 656 с.

Поступила в редакцию 23 января 2009 г.

Козлов Владимир Константинович - д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-72.

Муратаев Ибрагим Амирович - аспирант кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-905-3757755. Е-mail: kyllabyte@yandex. ru.