УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОБМОТОК ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ
DEVICE FOR PROTECTION OF WINDINGS OF SINGLE-PHASE TRANSFORMER AGAINST ELECTRICAL DAMAGES

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для защиты трансформаторов от замыканий в его обмотках.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство защиты обмоток однофазного трансформатора от электрических повреждений содержащее измерительный преобразователь, подключенный к реагирующему органу, выход которого присоединен к цепи отключения выключателя [Патент РФ №2549354 опубл. 27.04.2015].
Однако чувствительность этого устройства защиты обмоток однофазного трансформатора от электрических повреждений в значительной мере зависит от места расположения замкнувшихся витков в обмотках защищаемого трансформатора из-за того, что распределение магнитного поля рассеяния таких обмоток трансформатора неравномерно вдоль их продольной оси. При этом мощность, отдаваемая измерительным преобразователем крайне мала. Что достаточно часто не позволяет реализовать защиту обмоток однофазного трансформатора.
Задачей изобретения является повышение надежности функционирования устройства защиты обмоток однофазного трансформатора от электрических повреждений за счет снижения зависимости его чувствительности от места расположения замкнувшихся витков в обмотках защищаемого трансформатора и повышения мощности отдаваемой измерительным преобразователем.
Поставленная задача решается за счет того, что измерительный преобразователь выполняется в виде ферромагнитного сердечника с намотанной на него обмоткой, при этом ферромагнитный сердечник относительно трансформатора располагается так, чтобы его продольная ось была параллельна осям стержней сердечника трансформатора и находилась на одинаковом расстоянии от этих стержней.
В силу конструкционных особенностей однофазного трансформатора величина индукции магнитного поля вдоль геометрического места точек равноудаленных от стержней его сердечника при замыкании витков в любой из его обмоток не одинакова и зависит от места расположения замкнувшихся витков. В связи с этим электродвижущая сила обмотки измерительного преобразователя будет также зависеть от места расположения замкнувшихся витков в обмотках защищаемого трансформатора. Это приводит к тому, что для срабатывания защиты требуется замкнуть разное число витков в центральной части обмотки трансформатора и у ее торца. При этом, отдаваемая мощность измерительного преобразователя определена величиной магнитных потоков рассеяния обмоток трансформатора, которые пересекают плоскость ее витков. Этого в значительной степени можно избежать, если измерительный преобразователь, выполнить в виде ферромагнитного сердечника с намотанной на него обмоткой. В таком измерительном преобразователе ферромагнитный сердечник является концентратором магнитных потоков рассеяния обмоток трансформатора, что позволяет перераспределять эти магнитные потоки и резко снизить зависимость электродвижущей силы его обмотки от места расположения замкнувшихся витков в обмотке защищаемого трансформатора, а также значительно увеличить величину магнитных потоков рассеяния, которые пересекают плоскость ее витков. В связи с этим увеличивается отдаваемая мощность измерительного преобразователя.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое техническое решение отличается от известного конструкцией измерительного преобразователя.
Сравнение заявляемого технического решения с известным техническим решением показывает, что измерительные преобразователи с ферромагнитными сердечниками и обмотками известны. Однако, наличие строго ориентированного относительно элементов однофазного трансформатора ферромагнитного сердечника измерительного преобразователя проявляют в заявляемом техническом решении новые свойства, что приводит к повышению надежности функционирования устройства защиты однофазного трансформатора от электрических повреждений в обмотках за счет снижения зависимости его чувствительности от места расположения замкнувшихся витков и увеличения отдаваемой мощности.
Устройство защиты однофазного трансформатора от электрических повреждений в обмотках в соответствии с фиг. 1 состоит из измерительного преобразователя 1 и реагирующего органа в виде реле 2. При этом измерительный преобразователь 1 выполняется в виде ферромагнитного сердечника 3 с намотанной на него обмоткой 4. В защищаемом трансформаторе он располагается так, чтобы его продольная ось 5 была параллельна осям 6 и 7 стержней сердечника трансформатора с обмотками 8 и 9 низкого и высокого напряжения. В качестве примера замкнувшиеся витки 10 располагается в обмотке 8.
k
На фиг. 2 и фиг. 3 приведено распределение магнитных потоков рассеяния 11 от короткозамкнутых витков 10 с током в области размещения измерительного преобразователя с ферромагнитным сердечником 3 и без него. Из фиг. 2 и фиг. 3 видно, что ферромагнитный сердечник 3 выполняет роль концентратора магнитных потоков рассеяния обмоток 8 и 9. Что значительно повышает величину магнитного потока рассеяния замкнувшихся витков 10 через обмотку 4 измерительного преобразователя 1, а также снижает зависимость величины этого магнитного потока от места расположения этих витков на катушке 8 трансформатора, определяемого координатой у.
k
k
k
Эффективность использования ферромагнитного сердечника оценивается по зависимостям E=f(y) и Е'=f(y) приведенным на фиг. 4, где Е и Е' - электродвижущая сила измерительного преобразователя с ферромагнитным сердечником и без него; у - координата по высоте места расположения замкнувшегося витка.
В результате в эксплуатационных режимах работы однофазного трансформатора по одинаковому числу витков в обмотках 8 и 9 разных стержнях сердечника протекают одинаковые токи. Если эти обмотки изготовлены и установлены точно, то на оси 3 измерительного преобразователя 1 индукция магнитного поля рассеяния обмоток 8 и 9 в силу симметрии будет равна нулю. Поэтому магнитный поток от этих обмоток через плоскость витков измерительного преобразователя и электродвижущая сила Е в его обмотке будут равны нулю.
нб
нб
ср
отс
нб
нб
отс
отс
В реальном трансформаторе обмотки 8 и 9, а также измерительный преобразователь 1 изготовлены и установлены не точно. Поэтому в обмотке 4 измерительного преобразователя 1 будет индукцироваться электродвижущая сила Е небаланса, набольшая величина которой возникает при включении этого трансформатора в сеть или при коротком замыкании за ним. Витки обмоток 8 и 9 однофазного трансформатора вдоль ферромагнитного сердечника 3 измерительного преобразователя по высоте распределены равномерно. Поэтому электродвижущая сила Е небаланса измерительного преобразователя 1 с ферромагнитным сердечником и без него различается незначительно. В связи с этим порог срабатывания реле 2 реагирующего органа определяется как Е=кЕ, где Е - наибольшая величина небаланса измерительного преобразователя 1; к - коэффициент отстройки. При реализации защиты коэффициент отстройки к выбирается таким, чтобы в эксплуатационных режимах работы однофазного трансформатора устройство защиты его обмоток от электрических повреждений не срабатывало.
ср
При замыкании витков 10, например, в обмотке 8 трансформатора ток в них будет значительно превышать величину тока в остальной части обмотки. Что приведет к изменению распределения магнитного поля рассеяния поврежденной обмотки и значительному увеличению электродвижущей силы в обмотке 4 измерительного преобразователя 1, величина которой зависит от числа замкнувшихся витков и их места расположения в обмотке 8 трансформатора. И если эта электродвижущая сила превысит порог срабатывания Е реагирующего органа 2 защиты, то защита сработает и отключит однофазный трансформатор от сети.
k
k
Эффективность использования ферромагнитного сердечника можно оценить по приведенным на фиг. 4 зависимостям электродвижущей силы измерительного преобразователя с ферромагнитным сердечником 3 и без него (E=f(y) и Е'=f(у)) в зависимости от места расположения замкнувшегося витка 10 на катушке 8 трансформатора. Из фиг. 4 видно, что использование ферромагнитного сердечника 3 привело к снижению отношения максимальной величины электродвижущей силы измерительного преобразователя 1 к ее минимальной величине (), которое характеризует снижения зависимости чувствительности устройства защиты от места расположения замкнувшихся витков. Из фиг. 4 также видно, что использование ферромагнитного сердечника привело к увеличению электродвижущей силы измерительного преобразователя 1 (), которое, в свою очередь характеризует увеличение мощности отдаваемой измерительным преобразователем. В результате для срабатывания защиты требуется меньшее количество замкнувшихся витков обмотках однофазного трансформатора.
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.