Исследование антирезонансного трансформатора напряжения 220 кВ на основе математического моделирования. Сравнительный анализ конструкций

УДК 621.314.222.8

Исследование антирезонансного трансформатора напряжения 220 кВ на основе математического моделирования. Сравнительный анализ конструкций

В.Д. Лебедев, канд. техн. наук, А.А. Яблоков, студ.

Приведено сравнение конструкций антирезонансного измерительного трансформатора напряжения 220 кВ. Показаны зависимости амплитудной и фазовой погрешностей трансформатора от наличия и расположения ферромагнитных элементов магнитопровода, количества катушек и их активного сопротивления, а также выбранной номинальной мощности трансформатора.

Ключевые слова: антирезонансный трансформатор, трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, каскадный трансформатор напряжения, электронные трансформаторы напряжения, цифровые измерительные трансформаторы.

Researching Antiresonant 220 kV Voltage Transformer оп the Basis of Mathematical

Modeling. Comparative Analysis of Structures

V.D. Lebedev, Candidate of Engineering, A.A. Yablokov, Student

The authors compare the structures of antiresonant measuring 220 kV voltage transformer. The article shows the dependence of amplitude and phase errors of the transformer based on the presence and the location of the magnetic circuit of ferromagnetic elements, the number of coils and their resistance, and selected nominal power transformer.

Key words: antiresonant transformer, transformer with open magnetic conductor, the cascade voltage transformer, electric voltage transformers, digital measuring transformers.

Введение. Инновационное развитие электроэнергетики направлено на создании интеллектуальных активно-адаптивных сетей [1, 2]. Управление данными сетями основано на первичных данных, которые поступают от измерительных трансформаторов напряжения (ТН) и тока. Работы в этом направлении привели к необходимости разработки новых электронных измерительных трансформаторов, напрямую взаимодействующих с микропроцессорными системами защиты, автоматики и учета электроэнергии. Электронные трансформаторы содержат совместно с первичными высоковольтными преобразователями токов и напряжений электронные блоки, содержащие аналого-цифровые преобразователи, оптоэлектронный передающий тракт. Информация о токах и напряжениях может передаваться непосредственно с первичной стороны (со стороны высокого напряжения) по оптическому волокну, являющемуся изолятором [3]. Оцифровка сигнала непосредственно в измерительном трансформаторе позволяет рассчитывать первичные преобразователи на более низкую нагрузку, что способствует увеличению точности преобразования и открывает возможность использования методов измерения, не получивших до настоящего времени широкого применения в энергетике. В частности, в [4] предложена конструкция цифрового комбинированного трансформатора тока и напряжения 220 кВ, выполненного на базе трансформатора напряжения с разомкнутым магнитопроводом.

Положительными сторонами трансформаторов напряжения с разомкнутыми магнито-проводами являются устойчивость к ферроре-зонансным явлениям, более компактная конст-

рукция по сравнению с традиционными трансформаторами напряжения [5].

Расчет и оптимизацию параметров трансформаторов напряжения с разомкнутыми магнитопроводами не возможно выполнить на основе стандартных инженерных методик, предназначенных для расчета трансформаторов с замкнутыми магнитными системами. Исследование параметров и моделирование трансформаторов напряжения с разомкнутыми сердечниками следует вести на основе численного моделирования электромагнитного поля. В работах [5-7] представлено краткое описание методов моделирования и моделей, на которых можно проводить расчет с определением метрологических характеристик и выбирать конструктивные параметры трансформатора.

Ниже приводится сравнение результатов расчетов нескольких вариантов конструкций измерительных антирезонансных трансформаторов напряжения по метрологическим характеристикам (амплитудным и фазовым погрешностям основной частоты).

Сравнение конструкций трансформаторов. Экспериментальная конструкция каскадного трансформатора с горизонтальным расположением катушек, изготовленная и испытанная на ОАО Раменский электротехнический завод «Энергия», представлена на рис. 1 (конструкция 1). Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показало приемлемую точность выбранных методов исследования конструкций. Варианты конструкции с горизонтальным расположением исследованы нами на основе численного моделирования (рис. 1, конструкции 2-9).

П ^

^ФОООООЭООО Стержень 1

| Стержень 2

п^ООСОООООО

^юоооо .1.1 ^

П I I1 -V

^©ооооооооо

Стержень 3

| Стержень 4

П^ЭООСОООООО

"С1 Iх

С2 I

I Д"

Л _П_ £

П Р

Железная / П Р

Железная / П Р

\ВН

ВН Железная П Р.

Железная П Р

* П

Л П

£

-;Р\ВН Железная

2)

3)

4)

5)

П Р

Железная/ П Р

Железная П Р

П_ Р

Железная X П Р

Железная

П_ Р.

-\ВН Железная/

\ВН Железна

•:1\вн Железна

6) 7) 8)

Рис. 1. Схемы конструкций трансформатора

9)

10)

ВН

ПР

ПР

ВН

П Р

ВН

ВН

Р

ВН

ПР

ПР

ПР

ПР

ВН

П Р

П Р

ПР

ПР

ПР

ПР

ПР

ПР

Варианты конструкций обусловлены в основном наличием и расположением кольцеобразных ферромагнитных вставок, выполненных вокруг катушек трансформатора для уменьшения сопротивления обратного замыкания (магнитного потока), реализованных таким образом, чтобы они не мешали выполнению высоковольтной изоляции. Конструкция с полностью замкнутыми магнитопроводами (рис. 1, конструкция 10) приведена исключительно для сравнительного анализа погрешностей и не может быть практически реализована.

Определение амплитудных и фазовых погрешностей исследуемых конструкций ТН выполнено расчетным путем методом обобщенного численного моделирования электромагнитного поля совместно с расчетом электрической цепи. Режимы работы моделей выбраны аналогичными работе физических моделей, как это требуют нормативные документы по испытанию трансформаторов напряжения (ГОСТ 1983-2001, ГОСТ 8.216-88). В частности, погрешности трансформаторов определялись при значениях первичного напряжения, равных 20, 50, 80, и 120 % номинального значения, при значениях полной мощности, отдаваемой исследуемым трансформатором в цепь нагрузки

(

вторичных обмоток, равных 0,25 • Бн 1

и

1 ном

и Бн

и

и

1 ном

(при номинальном коэффициен-

те мощности 0,8), для каждого значения напряжения (рис. 2).

В результате вычислительных экспериментов было установлено, что амплитудные и фазовые погрешности зависят от количества катушек, их активного и реактивного сопротив-

Характеристики различных конструкций трансформатора

лений (количества витков, геометрических параметров катушек), формы магнитной системы ТН (см. таблицу). Отдельно отметим зависимость погрешности от выбранной номинальной мощности ТН, которая, по результатам расчетов, подчиняется графику, приведенному в Приложении А ГОСТ 1983-2001.

Рис. 2. Зависимости погрешности от номинальной мощности ТН (У - погрешность напряжения, %; 5„о„ - номинальная мощность для высшего класса точности, В-А).

Для наглядного анализа результаты моделирования трансформаторов представлены с помощью гистограмм (рис. 3-8), на которых по оси х отложены номера конструкций трансформаторов (см. рис. 1). Амплитудные и фазовые погрешности конструкций ТН представлены на рис. 3-6, исходя из номинальных мощностей 100 и 10 Вт. Средние значения магнитной индукции и амплитуды токов, протекающих через обмотку высокого напряжения, представлены соответственно на рис. 7 и 8 при номинальной мощности трансформатора 10 Вт.

№ конструкции Количество витков в катушках ВН Номинальная мощность 100 Вт Номинальная мощность 10 Вт

Амплитудная погрешность, % Фазовая погрешность, мин Средняя магнитная индукция стержней, Тл Ток через катушки ВН, А Амплитудная погрешность, % Фазовая погрешность, мин Средняя магнитная индукция стержней, Тл Ток через катушки ВН, А

1 60690 3,317 57,018 0,69437 0,16197 0,13368 2,66 0,69423 0,16135

2 62847 30000 5,45254 1,19625 118,146 21,279 0,51396 1,07608 0,02533 0,10971 0,54847 0,11807 10,967 2,078 0,51377 1,07608 0,02579 0,10928

3 62847 30000 5,6368 1,19751 120,586 20,601 0,51345 1,07517 0,02491 0,10365 0,56518 0,11794 11,218 2,014 0,51323 1,07499 0,02529 0,10316

4 62847 30000 5,66981 1,21665 133,653 21,205 0,51357 1,07298 0,02467 0,10153 0,56051 0,11974 13,766 2,069 0,51377 1,07298 0,02516 0,10103

5 62847 30000 5,8589 1,25991 137,789 21,879 0,51305 1,07115 0,02429 0,09969 0,57899 0,12402 14,202 2,136 0,51323 1,07115 0,0248 0,09918

6 62847 30000 4,94171 1,08739 103,871 19,41 0,51505 1,07535 0,02088 0,08776 0,4433 0,10768 9,561 1,903 0,51487 1,07535 0,02007 0,08718

7 62847 30000 5,86122 1,17297 116,918 18,046 0,51724 1,08283 0,01723 0,07031 0,54664 0,11441 11,872 1,75 0,51742 1,08283 0,01727 0,06975

8 30000 1,01925 16,796 1,08119 0,09509 0,1005 1,645 1,08119 0,09456

9 30000 0,98574 15,976 1,08082 0,09032 0,09657 1,576 1,08082 0,08968

10 30000 0,1773 4,557 1,08739 0,0579 0,01772 0,457 1,08739 0,0579

Ж.«

30000 витков 62847 витков

Рис. 3. Гистограмма амплитудной погрешности при мощности 100 Вт

т.* 0,60

0,50

0,40

0,30

одо 0,00

-111111111

9 8 6 7 3 2 4 ^ 1 , 6 7 2 4 3 5, № кон стр.

^ ^ транс.

30000 витков 62847 витков

Рис. 4. Гистограмма амплитудной погрешности при мощноСТИ 1 0 Вт

140,00 120.00 100,00 80,00 «0,00

40.00 20,00 0,00

НИИМ

10 9

3 4 2 ^ 1 6 7 2 3 4 № констр.

транс.

30000 витков 62847 витков

Рис. 5. Гистограмма фазовой погрешности при мощности

100 Вт

¿ф.яак

14

«»11111

3 7 6 3 4 2 5 1

2 3 7 4 N3 констр.

^ транс.

30000 витков 62847 витков

Рис. 6. Гистограмма фазовой погрешности при мощности 10 Вт

1 5 4 3 6 2

7 10 № констр.

транс.

62847 витков 30000 витков

Рис. 7. Гистограмма средней магнитной индукции при мощНОСТИ 1 0 Вт

Ш.А*

0:16 0.14 0,12 ОД 0,03 0,06 0.04 0.02

И111

54- 52 1С76 5

5 4- 3 : 1 №шнстр транс.

62347 витков ЭОМЮ витгоа

Рис. 8. Гистограмма амплитуды тока, протекающего через катушки ВН, при мощности 10 Вт

Анализируя результаты расчетов (см. таблицу, рис. 3-8), можно подтвердить известные положения и сделать дополнительные выводы:

1. ТН с разомкнутым магнитопроводом уступают по точности трансформаторам с замкнутым магнитопроводом.

2. ТН с меньшим значением активного сопротивления катушек ВН имеют более высокий класс точности, но при этом и большее значение средней индукции магнитного поля в стержнях магнитопровода.

3. Добавление цилиндрических ферромагнитных вставок в верхнюю часть трансформаторов не способствует уменьшению амплитудной и фазовой погрешностей. Среди исследуемых конструкций ТН наибольший класс точности имеет конструкция 9 (рис. 1).

4. Ток, протекающий через катушки ВН трансформатора, уменьшается при добавлении ферромагнитных вставок. Среди конструкций антирезонансного трансформатора наименьший ток протекает в конструкции 7 (рис. 1).

5. Среднее значение магнитной индукции в стержнях практически не зависит от выбранной номинальной мощности и количества и расположения дополнительных ферромагнитных вставок.

6. Чем меньше мощность, на которую рассчитан трансформатор, тем выше его класс точности.

В заключение отметим, что использование разомкнутой магнитной системы позволяет получить трансформатор с необходимым классом точности при невысокой номинальной

мощности. Низкая номинальная мощность накладывает ограничение на традиционное использования таких ТН. С другой стороны, если ТН с разомкнутым магнитопроводом является составной частью электронного трансформатора и имеет в качестве нагрузки только свою, практически не потребляющую энергии нагрузку -электронный преобразователь (к тому же с заранее согласованным входным сопротивлением), то проблема и само понятие номинальной мощности отпадает.

Список литературы

1. Основные положения (концепция) технической политики в электроэнергетике России на период до 2030 г. ОАО РАО «ЕЭС России». - 2008 г. - 90 с. // http://www.rao-ees.ru/ru/invest_inov/concept_2030.pdf.

2. Кобец Б.Б., Волкова И.О. Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции Smart Grid. - М.: ИАЦ «Энергия», 2010. - 208 с.

3. Гречухин В.Н. Электронные трансформаторы тока и напряжения. Состояние, перспективы развития и внедрения на ОРУ 110-750 кВ станций и подстанций энергосистем // Вестник ИГЭУ. - 2006. - Вып. 4. - С. 35-42.

4. Гречухин В.Н., Лебедев В.Д. Цифровой комбинированный трансформатор тока и напряжения на базе стандартного трансформатора напряжения // Известия вузов. Электромеханика. Спецвыпуск. Диагностика электрооборудования. - 2010. - С. 98-99.

5. Федотов С.П., Лебедев В.Д. Разработка антирезонансного индуктивного трансформатора напряжения // Вестник ИГЭУ. - 2009. - Вып. 2. - С. 102-105.

6. Федотов С.П., Лебедев В.Д. Антирезонансный индуктивный трансформатор напряжения // Электромеханика. -2008. - Спец. вып. 2. - С. 69-70.

7. Лебедев В.Д., Яблоков А.А. Определение параметров элементов антирезонансного трансформатора напряжения на основе компьютерного полевого моделирования (методы моделирования и исследование вычислительных погрешностей) // Вестник научно-промышленного общества. - М.: Алев-В, 2010. - Вып. 14. - С. 51-59.

Лебедев Владимир Дмитриевич,

ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина», кандидат технических наук, доцент кафедры теоретических основ электротехники и электротехнологий, телефон (4932) 26-99-53, е-mail: VD_Lebedev@mail.ru

Яблоков Андрей Анатольевич,

ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина», студент,

e-mail: AndrewYablokov@yandex.ru