УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ОБМОТКАХ
DEVICE FOR PROTECTION OF SINGLE-PHASE TRANSFORMER FROM ELECTRIC DAMAGES IN WINDINGS

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для защиты трансформаторов от замыканий в его обмотках.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство защиты однофазного трансформатора от электрических повреждений в обмотках, содержащее измерительный преобразователь и реагирующий орган [Патент РФ №2549354 опубл. 27.04.2015].
Однако чувствительность этого устройства защиты трансформатора зависит от места расположения замкнувшихся витков в обмотках защищаемого трансформатора из-за того, что распределение магнитного поля рассеяния таких обмоток трансформатора неравномерно вдоль ее продольной оси, а обмотка измерительного преобразователя имеет постоянные шаг и площадь витка.
Задачей изобретения является повышение надежности функционирования устройства защиты однофазного трансформатора от электрических повреждений за счет устранения зависимости его чувствительности от места расположения замкнувшихся витков в обмотках защищаемого трансформатора.
k
i
min
i
min
k
i
min
i
min
min
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве защиты однофазного трансформатора от электрических повреждений в обмотках содержащем измерительный преобразователь и реагирующий орган, длина обмотки измерительного преобразователя с одинаковым диаметром витков вдоль ее продольной оси равна длине катушке трансформатора, а шаг каждого ее витка определяется по зависимости Е=f(y) и соотношению T=TE/E, где Е и y - электродвижущая сила обмотки измерительного преобразователя и координата замкнувшегося витка, T и T - шаг 1-го витка и витка у торца обмотки измерительного преобразователя, а E и E - электродвижущая сила, индуктируемая в обмотке измерительного преобразователя с постоянным шагом T короткозамкнутым витком защищаемого трансформатора с координатой i - го витка и витка у торца обмотки измерительного преобразователя.
k
i
max
min
i
i
max
Поставленная задача также решается за счет того, в устройстве защиты однофазного трансформатора от электрических повреждений в обмотках содержащем измерительный преобразователь и реагирующий орган, длина обмотки измерительного преобразователя с одинаковым шагом вдоль ее продольной оси равна длине катушке трансформатора, а площадь каждого витка этой обмотки определяется по зависимости Е=f(y) и соотношению S=SE/E, где S и S - площадь i - го витка и витка у торца обмотки измерительного преобразователя.
В силу конструкционных особенностей величина индукции магнитного поля вдоль геометрического места точек равноудаленных от стержней сердечника однофазного трансформатора при замыкании витков в любой из обмоток защищаемого трансформатора не одинакова и зависит от места расположения замкнувшихся витков. Поэтому электродвижущая сила обмотки измерительного преобразователя соизмеримой по длине с длиной катушек защищаемого трансформатора и имеющей постоянный шаг обмотки и постоянную площадь витка будет также зависеть от места расположения замкнувшихся витков в обмотках защищаемого трансформатора. Что приводит к тому, что для срабатывания защиты требуется замкнуть разное число витков в центральной части обмотки трансформатора и у ее торца. Этого можно избежать, если использовать в измерительном преобразователе обмотку, изготовленную с переменным шагом или переменной площадью витка.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое техническое решение отличается от известного конструкцией обмотки измерительного преобразователя.
Сравнение заявляемого технического решения с известным техническим решением показывает, что измерительные преобразователи с обмотками известны. Однако, характеристики обмотки в виде переменного шага обмотки или площади витка проявляют в заявляемом техническом решении новые свойства, что приводит к повышению надежности функционирования устройства защиты однофазного трансформатора от замыканий в обмотках за счет устранения зависимости его чувствительности от места расположения замкнувшихся витков.
Устройство защиты однофазного трансформатора от электрических повреждений в обмотках показанно на фиг. 1 - фиг. 3. Оно состоит из реагирующего органа в виде реле 1 и измерительного преобразователя 2 устройства защиты, установленного между обмотками 3 и 4 этого трансформатора. При этом длина обмотки 5 измерительного преобразователя 2 вдоль продольной оси 6 принята равной длине обмоток 3 и 4 трансформатора, которые образуют катушку трансформатора.
k
k
k
k
При таком взаимном расположении обмоток 3 и 4 однофазного трансформатора, а также измерительного преобразователя 2 и замкнувшегося витка 7 ток в нем индуктирует в обмотке 5 измерительного преобразователя электродвижущую силу Е. Ее величина, например, при одном замкнувшемся витке определена зависимостью Е=f(y), где y - координата, определяющая положение замкнувшегося витка на катушке трансформатора. Вид зависимости E=f(y) приведен на фиг. 1. На практике для определения параметров обмотки 5 измерительного преобразователя 2 в виде переменного шага или площади витка зависимость Е=f(y) получают расчетным путем или экспериментально для конкретного трансформатора.
k
min
max
Из зависимости E=f(y) на фиг. 1 видно, что электродвижущая сила обмотки 5 измерительного преобразователя 2 с постоянным шагом Т и площадью S витка имеет минимальное E значение при расположении замкнувшегося витка 7 у торцов катушки однофазного трансформатора, а также максимальное E значение при расположении этого витка в середине катушки. Что является причиной зависимости чувствительности защиты от места расположения замкнувшихся витков в обмотках защищаемого трансформатора.
k
Для того чтобы этого избежать следует с учетом зависимости E=f(y) изменять либо шаг Т, либо площадь S витка обмотки 5 измерительного преобразователя так, как это показано на фиг. 2 и фиг. 3 соответственно.
k
i
min
i
min
i
min
i
min
min
i
Если длина обмотки 5 измерительного преобразователя 2 с одинаковым диаметром витков вдоль ее продольной оси равна длине катушке, то шаг i - го ее витка определяется по зависимости Е=f(y) на фиг. 2 и соотношению T=TE/E, где T и T - шаг i - го витка и витка у торца обмотки 5 измерительного преобразователя 2, a E и E - электродвижущая сила, индуктируемая в обмотке 5 измерительного преобразователя 2 с постоянным шагом T короткозамкнутым витком с координатой y - го витка и витка у торца обмотки 5 измерительного преобразователя. Получившаяся при этом зависимость Т=f(y) также приведена на фиг. 2.
i
i
max
min
i
i
max
Если длина обмотки измерительного преобразователя с одинаковым шагом вдоль ее продольной оси равна длине катушке трансформатора, то тогда площадь i - го витка этой обмотки 5 измерительного преобразователя 2 определяется по зависимости Е=f(y) на фиг. 3 и соотношению S=SE/E, где S и S - площадь i - го витка и витка у торца обмотки измерительного преобразователя. Получившаяся при этом зависимость S=f(y) приведена также на фиг. 3.
нб
ср
отс
нб
нб
отс
В результате в произвольном эксплуатационном режиме работы однофазного трансформатора по одинаковому числу витков в его обмотках 3 и 4, которые расположены на разных стержнях сердечника, протекают одинаковые токи. Если эти обмотки изготовлены и установлены точно, то в обмотке 5 измерительного преобразователя 2 имеющей переменный шаг Т или переменную площадь витка S расположенного между ними измерительного преобразователя 2 электродвижущая сила Е в его обмотке будет равна нулю. При неточном изготовлении и установке этих обмоток, а также измерительного преобразователя 2 в обмотке 5 будет индуктироваться электродвижущая сила Е небаланса. Наибольшую величину электродвижущая сила небаланса будет имеет при включении этого трансформатора в сеть или при коротком замыкании за ним. С учетом этих режимов порог срабатывания реагирующего элемента защиты рассчитывается как Е=кЕ, где Е - наибольшая величина небаланса; к - коэффициент отстройки. Поэтому в эксплуатационных режимах работы однофазного трансформатора защита от замыканий в обмотках не срабатывает.
При замыкании витка 7, например, в обмотке 4 трансформатора ток в нем будет значительно превышать величину тока в остальной части обмотки. Что приведет к изменению распределения магнитного поля рассеяния поврежденной обмотки. В результате в обмотке 5 измерительного преобразователя 2 имеющей переменный шаг Т или переменную площадь витка S электродвижущая сила резко возрастает. При этом ее величина не будет зависеть от места расположения замкнувшихся витков в обмотке однофазного трансформатора. И если эта электродвижущая сила превысит порог срабатывания реагирующего органа защиты, то защита сработает и отключит однофазный трансформатор от сети. То есть чувствительность такой защиты будет определена только числом замкнувшихся витков.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства заключается в своевременном определении электрического повреждения в обмотках однофазного трансформатора независимо от места расположения замкнувшихся витков и отключении его от сети, а следовательно в сокращении времени и стоимости послеаварийного ремонта.