Диагностика трансформатора в режиме
искусственного намагничивания.
Козлов
Владимир Константинович,
доктор физико-математических наук,
профессор,
Муратаев
Ибрагим Амирович,
аспирант,
Муратаева
Галия Амировна,
магистрант,
Казанский Государственный Энергетический
Университет.
Силовой трансформатор один из
самых дорогих элементов системы высоковольтных передач. Поэтому, важной целью
является уменьшение затрат на обслуживание трансформатора и увеличение срока
службы. Один из способов решения этой задачи является расширенный мониторинг и
диагностика силовых трансформаторов по всем возможным типам повреждений.
Известен способ диагностики
магнитной системы путем измерения потерь холостого хода при малом напряжении
[1]. Потери холостого хода при малом напряжении измеряют при операционных испытаниях
в процессе сборки трансформатора с целью проверки отсутствия межвитковых коротких
замыканий, обнаружения неодинакового числа витков в параллельно соединенных
катушках, ошибочных соединений обмоток или устройств переключения и других
подобных дефектов.
Производим покупку радиаторов на лом retrotok.ru
Результаты измерений сильно зависят
от величины остаточного намагничивания сердечника трансформатора являющегося
следствием внезапного обрыва тока при отключении трансформатора. Величина
намагничивания является случайной величиной и зависит только от фазы тока в
момент отключения трансформатора. Поэтому для получения достоверных результатов
потерь в стали, магнитопровод трансформатора необходимо размагнитить. Процедура
размагничивания, заключающаяся в поочередной подаче постоянного тока на одну из
обмоток каждого стержня, так же не позволяет однозначно утверждать, что
сердечник размагничен до нулевого значения остаточной индукции, так как нет
возможности проконтролировать остаточную намагниченность сердечника. Таким образом,
измерив потери холостого хода невозможно однозначно определить, является ли разброс
значений результатом остаточного намагничивания или развивающегося дефекта.
Для исключения
влияния остаточного намагничивания, повышения чувствительности и избирательности
методов диагностики, в частности метода измерения потерь холостого хода,
предлагается проводить измерения в режиме искусственного намагничивания
магнитопровода постоянным током от постороннего источника. С
этой целью возбуждают постоянным током одну из обмоток, например обмотку
высокого напряжения, стержня с замкнутой накоротко обмоткой, низкого
напряжения. Несмотря на то, что на стороне высокого напряжения (ВН) двух фаз
трансформатора может трансформироваться высокое напряжение, подача постоянного
напряжения на фазу ВН при закороченной обмотке низкого напряжения той же фазы абсолютно
безопасна для источника постоянного тока, так как на этой фазе напряжение не
трансформируется.
Увеличивая ток намагничивания до
значений тока холостого хода можно перевести сердечник в режим насыщения, то
есть режим несимметричного намагничивания. Перемагничивание при переменном токе
происходит по динамическим петлям, площадь которых пропорциональна общим потерям
в стали за цикл. Динамические петли отличаются от статических петель большим
разнообразием, так как их вид зависит не только от магнитных свойств материала,
но и от геометрических параметров сердечника [2]. Вариации тока намагничивания
позволяют перенести рабочую точку диагностирования в любую область кривой
намагничивания. Измерения в режиме намагничивания позволяют демаскировать дефекты,
обусловленные изменением геометрии магнитных конструкций под действием
магнитного поля, которые проявляются только в рабочем режиме и исчезают со
снятием напряжения.
Расширить диагностические
возможности метода можно путем разложения потерь на составляющие. Схема
замещения ветви намагничивания с разделением ветвей потерь на вихревые токи и
гистерезис обеспечивающая сохранение энергетических соотношений представлена на
рис. 1.
Рис.
1.
Схема
замещения трансформатора с разделением потерь на гистерезис и вихревые токи.
В представленной схеме замещения
элементы R1, L1, R2, L2
характеризуют первичную и вторичную обмотки трансформатора. Ld -
представляет индуктивность намагничивающего контура трансформатора. Rг -
нелинейное сопротивление, отражающее потери на гистерезис в зависимости от напряжения
U ветви намагничивания. Rв, Lв - это условная ветвь, на
которой выделяется мощность, равная магнитным потерям на вихревые токи.
Таким образом, зависимость полных
потерь активной мощности при различных напряжениях можно аппроксимировать
кривой вида:
; (1)
где: A2 – коэффициент вихревых потерь; A1 – коэффициент потерь на гистерезис;
Для аналитического определения
коэффициентов А1, А2 необходимо измерить потери при различных
напряжениях. Зависимость мощности потерь от величины подаваемого напряжения
называется вольт-ваттной характеристикой трансформатора. Аппроксимация
вольт-ваттной характеристики в соответствии с выражением (1) позволяет определить
коэффициенты пропорциональные потерям на гистерезис и вихревые токи. Обработка
результатов измерений экспериментально полученных вольт-ваттных характеристик и
нахождения параметров A1, A2 производиться при помощи разработанного программного обеспечения.
Вольт-ваттные характеристики
могут быть сняты при различных токах намагничивания магнитопровода постоянным
током, а получаемые при этом параметры A1, A2 позволяют расширить возможности
диагностики.
Формирующиеся дефекты влияют на
величину составляющих потерь. При витковом замыкании или образовании
короткозамкнутых мостиков охватывающий сердечник изменяется соотношение между составляющими
потерь на вихревые токи и гистерезис, поэтому отношение A1/A2 может служить информативным параметром
для диагностики.
Витковое замыкание обмоток
наиболее распространенный вид дефектов. Короткозамкнутый виток создает
размагничивающее поле, направленное против основного потока. Уменьшение
индукции магнитного поля в сердечнике уменьшает долю потерь на гистерезис, что
характеризуется уменьшением коэффициента A1. Активные потери в короткозамкнутом
витке вызывают увеличение коэффициента A2, соответственно уменьшается
диагностический параметр A1/A2.
При подмагничивании, постоянным
магнитным полем, индуктивность короткозамкнутого витка изменяется, доля
вихревых потерь значительно превосходит потери на гистерезис. При этом
диагностический параметр A1/A2 имеет существенно меньшее значение
по сравнению с нормальным режимом.
Нарушение изоляции пластин
электротехнической стали вызывает локальные изменения электромагнитных
характеристик магнитопровода, и приводит к образованию электромагнитной
«линзы». Образование электромагнитной «линзы» в теле магнитопровода приводит к
перераспределению магнитного поля в сечении магнитопровода. Магнитное поле
вытесняется в неповрежденную часть магнитопровода, где из-за увеличения
индукции растут потери на гистерезис. В объеме электромагнитной «линзы»
соответственно возрастают квадратичные потери. Значение диагностического параметра
незначительно меньше значения для нормального режима, однако при намагничивании
постоянным магнитным полем вследствие насыщения материала магнитопровода и
уменьшения вихревого тока в «линзе» наблюдается уменьшение диагностического
параметра A1/A2.
В качестве примера на рис. 2
приведены зависимости диагностического параметра A1/A2 для трех режимов диагностики
обмоток. Поочередно накоротко замыкались фазы A, B и C трансформатора
ТДТН-16000/110/35кВ при намагничивании магнитопровода через обмотки 110кВ. После
перехода сердечника в устойчивое насыщение Iнамаг.>2A значения
параметра A1/A2 приобретает линейный характер и
для фаз A и C сближается. Таким образом, оказывается возможной оценка
состояния трансформатора даже при отсутствии результатов предыдущих измерений,
путем сравнения параметра для крайних фаз.
Для сравнения пунктиром показано
изменение диагностического параметра для режима замкнутой фазы C при имитации дефекта. К обмотке
35кВ фазы A подключено шунтирующее сопротивление величиной 51кОм, в результате
наблюдается существенная разница между нормальным и аварийным режимами.
Практические измерения на
трансформаторах предложенным методом показывают более значительные отклонения
параметров при различных видах дефектов, чем измерения, проводимые обычным способом.
Рис.
2.
Зависимости
диагностического параметра А1/А2 трансформатора
ТДТН-16000/110/35 кВ
для
нормального и аварийных режимов.
Выводы.
Предложенный способ искусственного
намагничивания и позволяет снизить нежелательный эффект остаточного намагничивания.
Разделение потерь на составляющие,
потери на гистерезис и вихревые токи, может применяться как более информативный
при диагностике силовых трансформаторов.
Литература.
1. Ашрятов А.К. Измерение потерь
холостого хода силовых трансформаторов. - «Электрические станции”, 1948, №-5,
с.34-36.
2. Подгорный Э.В., Хлебников С.Д.
Моделирование и расчет переходных режимов в цепях релейной защиты. Под ред.
А.Д. Дроздова. М., «Энергия», 1974.
Поступила в
редакцию 26.05.2008 г.