Трансформатор со сниженным значением намагничивающего тока при работе под нагрузкой

Полезная модель относится к области электротехники, к электромагнитным трансформаторам и касается однофазных и трехфазных силовых трансформаторов с повышенным рассеянием магнитного потока.
К трансформаторам с повышенным рассеянием магнитного потока можно отнести трансформаторы, применяемые на трансформаторных подстанциях. Повышенное рассеяние магнитного потока снижает токи короткого замыкания во вторичной цепи и позволяет выполнить защитные аппараты от короткого замыкания (автоматические выключатели, предохранители, масляные выключатели и др.) более дешевыми, с более слабой системой гашения дуги. Повышенное рассеяние магнитного потока силовых трансформаторов определяет повышенное напряжение короткого замыкания. Так напряжение короткого замыкания силовых трансформаторов, используемых на трансформаторных подстанциях, имеет значение от 5,5% до 12%.
Прототипом заявленного устройства является трансформатор с повышенной индуктивностью рассеяния магнитного потока, состоящий из магнитопровода, первичной и вторичной дисковых обмоток, намотанных на магнитопроводе таким образом, что вторичная обмотка разделена пополам на две секции, а между половинками обмотки расположена неразделенная первичная обмотка, по патенту на полезную модель РФ RU 186814 U1 - [1]. Трансформатор такого исполнения имеет индуктивность рассеяния первичной обмотки в 2 раза выше, чем индуктивность рассеяния магнитного потока вторичной обмотки. Индуктивность рассеяния магнитного потока каждой обмотки пропорциональна квадрату числа витков, охватываемых магнитным потоком рассеяния. Первичную обмотку магнитный поток охватывает полностью. Вторичная обмотка разделена на две секции. Индуктивность каждой секции, приведенная к одному числу витков, в 4 раза меньше, поскольку секции содержат в 2 раза меньше витков, чем цельная первичная обмотка. При последовательном соединении индуктивности рассеяния отдельных секций вторичной обмотки складываются. В итоге суммарная приведенная индуктивность вторичной обмотки в 2 раза меньше индуктивности рассеяния первичной. Возможность перераспределения индуктивностей рассеяния отдельных обмоток трансформатора исследована в литературе: Марквардт Е.Г. «О рассеянии обмоток трансформатора». «Электричество», 1937 г., №11, с. 60-63 - [2].
Недостаток такого устройства - повышенный намагничивающий ток при работе трансформатора под нагрузкой.
Недостаток объясняется недостаточным перераспределением индуктивностей рассеяния обмоток в сторону преобладания первичной обмотки. Как было описано выше, конструкция прототипа предполагает максимально возможное соотношение индуктивности рассеяния первичной обмотки и приведенной к числу витков первичной обмотки индуктивности рассеяния вторичной обмотки, равное 2 и не более.
Намагничивающий ток определяется величиной основного магнитного потока трансформатора. При работе трансформатора под нагрузкой он снижается на величину, пропорциональную падению напряжения на индуктивности рассеяния и активном сопротивлении первичной обмотки. Особенно сильно это будет сказываться именно у трансформаторов с повышенной индуктивностью рассеяния магнитного потока.
Преобладание индуктивности рассеяния первичной обмотки определяет повышенное падение напряжения на индуктивности рассеяния первичной обмотки при работе под нагрузкой, а значит, снижает основной магнитный поток и намагничивающий ток. Но конструкция прототипа не позволяет выполнить трансформатор с преобладанием индуктивности рассеяния первичной обмотки над индуктивностью рассеяния вторичной обмотки, приведенной к числу витков первичной обмотки более чем в 2 раза.
Это и определяет повышенный намагничивающий ток при работе под нагрузкой, как следствие не использования всех потенциальных возможностей перераспределения индуктивностей рассеяния в сторону преобладания индуктивности рассеяния первичной обмотки.
Предлагаемый трансформатор с повышенной индуктивностью рассеяния магнитного потока состоит из магнитопровода, первичной и вторичной обмоток, намотанных на магнитопроводе, причем для снижения величины намагничивающего тока трансформатора под нагрузкой путем перераспределения индуктивностей рассеяния отдельных обмоток в сторону преобладания индуктивности рассеяния первичной обмотки и увеличения падения напряжения на индуктивности рассеяния первичной обмотки от тока нагрузки, в цепь первичной обмотки дополнительно включен дроссель, образованный проводом, намотанным на свободный от обмоток стержень магнитопровода.
Индуктивности рассеяния магнитного потока обмоток трансформатора минимальны, что достигается сближением первичной и вторичной обмоток (при концентрических обмотках уменьшается расстояние между обмотками; при дисковых обмотках обмотки сдвигаются друг к другу). Значительная часть индуктивного сопротивления трансформатора определяется индуктивностью дросселя, включенного последовательно в цепь первичной обмотки, причем в целях снижения массы, размеров и стоимости дросселя используется сталь стержня магнитопровода, свободного от обмоток. Обмотка дросселя выполняется не вокруг стержня магнитопровода, а вдоль свободного стержня магнитопровода. При таком расположении обмотка дросселя создает магнитный поток перпендикулярный основному магнитному потоку и благодаря этому практически не загружает магнитопровод в направлении основного магнитного потока.
Предлагаемый трансформатор может быть применен как самостоятельно взамен прототипа, так и совместно с техническими решениями прототипа, в этом случае эффект будет суммироваться.
Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что в трансформаторе с повышенной индуктивностью рассеяния магнитного потока при работе под нагрузкой, состоящий из магнитопровода, первичной и вторичной обмоток, намотанных на магнитопровод, в цепь первичной обмотки дополнительно включен дроссель, образованный проводом, намотанным на свободный от обмоток стержень магнитопровода. При этом за счет изменения конструкции трансформатора с повышенным рассеянием магнитного потока, удалось добиться снижения намагничивающего тока под нагрузкой, за счет перераспределения индуктивностей рассеяния отдельных обмоток в сторону преобладания индуктивности первичной обмотки в большей степени, чем при использовании прототипа.
Заявляемая полезная модель решает задачу снижения намагничивающего тока трансформатора, работающего под нагрузкой.
Заявляемое устройство отвечает требованию «новизна», так как имеет новый признак: в цепь первичной обмотки дополнительно включен дроссель, образованный проводом, намотанным на свободный от обмоток стержень магнитопровода.
Технический результат заявляемого решения - снижение намагничивающего тока при работе под нагрузкой в трансформаторе с повышенным рассеянием магнитного потока за счет перераспределения индуктивностей рассеяния в сторону преобладания индуктивности первичной обмотки.
Технический результат достигается тем, что для снижения величины намагничивающего тока трансформатора под нагрузкой путем перераспределения индуктивностей рассеяния отдельных обмоток в сторону преобладания индуктивности рассеяния первичной обмотки и увеличения падения напряжения на индуктивности рассеяния первичной обмотки от тока нагрузки в цепь первичной обмотки дополнительно включен дроссель, образованный проводом, намотанным на свободный от обмоток стержень магнитопровода.
На фиг. 1 представлен трансформатор со сниженным значением намагничивающего тока под нагрузкой, где: 1 - первичная обмотка; 2 - вторичная обмотка; 3 - магнитопровод; 4 - дроссель, включенный в цепь первичной обмотки, образованный проводом, намотанным на свободный от обмоток стержень магнитопровода.
На фиг. 2 представлена схема экспериментальной установки для испытания полезной модели.
Предлагаемый трансформатор с повышенной индуктивностью рассеяния магнитного потока состоит из магнитопровода 3, первичной и вторичной обмоток 1 и 2, причем для снижения величины намагничивающего тока трансформатора под нагрузкой путем перераспределения индуктивностей рассеяния отдельных обмоток в сторону преобладания индуктивности рассеяния первичной обмотки 1 и увеличения падения напряжения на индуктивности рассеяния первичной обмотки от тока нагрузки, в цепь первичной обмотки дополнительно включен дроссель, образованный проводом, намотанным на свободный от обмоток стержень магнитопровода.
Для экспериментальной проверки эффективности предложенного устройства были проведены опыты с трансформатором из переделанного сварочного трансформатора ТД-300. Схема для проведения опытов представлена на фиг. 2.
В ходе проведения опытов проводилось сравнение намагничивающего тока, трансформатора под нагрузкой для трансформатора с обычным расположением обмоток и для трансформатора, в цепь первичной обмотки которого дополнительно включен дроссель, образованный проводом, намотанным на свободный от обмоток стержень магнитопровода.
Намагничивающий ток трансформатора под нагрузкой измерялся с помощью метода, известного по патенту на изобретение РФ RU 2328749 С1 - [3]. Суть метода заключается в том, что в первичной и вторичной обмотке установлены шунты. Соотношение между номинальными токами шунтов подобрано равным коэффициенту трансформации трансформатора. Клеммы шунтов соединены таким образом, чтобы падение напряжения от вторичного тока вычиталось из падения напряжения от первичного тока. Осциллограф в такой схеме покажет намагничивающий ток.
Сравнивали два трансформатора:
- первый трансформатор с повышенным рассеянием магнитного потока, переделанный из сварочного трансформатора с разнесенными первичной и вторичной обмотками;
- второй трансформатор с повышенным рассеянием магнитного потока, переделанный из сварочного трансформатора со сближенными первичной и вторичной обмотками и дополнительно намотанным на свободный от обмоток стержень магнитопровода дросселем, включенным в цепь первичной обмотки (заявляемый трансформатор); Количество витков дросселя подобрано таким, чтобы сравнять напряжение короткого замыкания у сравниваемых трансформаторов (суммарное сопротивление обмоток трансформатора). За счет сближения обмоток у заявляемого трансформатора общее индуктивное сопротивление обмоток снижено, а за счет добавления дросселя в цепь первичной обмотки восстановлено на том же уровне, то есть индуктивности рассеяния отдельных обмоток перераспределены в сторону преобладания индуктивности цепи первичной обмотки.
Получены следующие результаты:
при равных условиях и одинаковой нагрузке намагничивающий ток у заявляемого трансформатора, в цепь первичной обмотки которого дополнительно включен дроссель, образованный проводом, намотанным на свободный от обмоток стержень магнитопровода, всегда оказывался меньше, чем у трансформатора обычного исполнения. В ходе экспериментов получен большой объем данных для различных уровней питающего напряжения, различной нагрузки. Так для одного из режимов при одинаковых условиях намагничивающий ток трансформатора обычного исполнения под нагрузкой составил 6 А, а для заявляемого трансформатора с дросселем 2,1 А.
Опытные данные позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость».
Чем выше индуктивность рассеяния трансформатора, тем большего эффекта можно достичь. Так, для силовых трансформаторов систем электроснабжения, целесообразно применять такое исполнение обмоток для уровня напряжения 110 кВ и выше, где напряжение короткого замыкания составляет 12,5%.
Источники информации:
1. Патент РФ на полезную модель №186814 МПК H01F 30/04 (2006.01), «Трансформатор со сниженным значением намагничивающего тока при работе под нагрузкой», авторы: Гуков Д.В., Загуляев С.Д., Иваньков С.М., Закиров Т.Р., Романенко С.И., бюл. №4 от 05.02.2019 (прототип).
2. Марквардт Е.Г. «О рассеянии обмоток трансформатора». «Электричество», 1937 г., №11, с. 60-63.
3. Патент РФ №2328749 МПК G01R 19/00, «Способ измерения намагничивающего тока трансформатора, работающего под нагрузкой», авторы: Гуков Д.В., Гуков А.Д., Прутчиков И.О., Камлюк В.В., Солдатов В.Н., Прокофьев В.Е., Спиридонов А.Е., бюл. №19 от 10.07.2008 г.