Исследование электромагнитного поля трансформаторов промышленной частоты с короткозамкнутыми витками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Клименко, Ксения Александровна

• Клименко, Ксения Александровна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Клименко, Ксения Александровна

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 5

Глава 1.1. Методы анализа и расчета электромагнитных процессов в

трансформаторе с ферромагнитным сердечником............................... 18

1.2. Выводы по главе 1................................................................... 26

Глава 2. Исследования электромагнитного поля трансформатора тока с ферромагнитным сердечником с корогкозамкнутой вторичной обмоткой................................................................................. 27

2.1. Анализ влияния поперечного сечения и числа витков вторичной обмотки трансформатора тока в режиме короткого замыкания............... 27

2.2.Исследование электромагнитных процессов в системе «трансформатор тока- короткозамкнутое электропроводящее кольцо, охватывающее сердечник»............................................................ 33

2.3.Влияние конструктивных параметров на электромагнитное поле системы «трансформатор тока - короткозамкнутое электропроводящее кольцо, охватывающее сердечник»................................................. 44

2.3.1 .Влияние магнитных свойств материала сердечника....................44

2.3.2.Влияние конструктивных параметров короткозамкнутого кольца............................................................................................................................................................................49

2.3.3.Влияние материала короткозамкнутого кольца................................56

2.3.4.Влияние поперечного сечения сердечника............................................60

2.3.5. Влияние воздушного зазора сердечника........................ 64

2.4.Выводы по главе 2............................................................ 67

Глава 3. Исследование возможности построения датчика тока на основе

применения короткозамкнутого кольца............................................ 70

3.1 .Обзор современных методов измерения силы тока................... 70

3.2.Вопросы разработки трансформаторного датчика тока с

короткозамкнутым кольцом........................................................... 77

3.2.1. Расчет конструктивных параметров трансформаторного

датчика тока с короткозамкнутым кольцом....................................... 79

3.3.0 нагрузочной способности сигнальной обмотки трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом............. 88

3.4. Сравнительный анализ фазовой погрешности промышленного трансформатора тока и трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом........................................................... 91

3.5. Экспериментальные исследования трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом................................................. 96

3.6. Выводы по главе 3........................................................... 102

Глава 4. Исследование внешнего электромагнитного поля трансформатора переменного тока при возникновении короткозамкнутых витков и обоснование возможности обнаружения короткозамкнутых витков............................................................. 104

4.1. Анализ существующих способов обнаружения витковых замыканий в электрических машинах и аппаратах.............................. 105

4.2.Предлагаемые способы диагностики трансформатора на наличие короткозамкнутых витков по изменению электромагнитного поля трансформатора.................................................................. 108

4.2.1 .Способ диагностики по току холостого хода..................... 108

4.2.2. Способ диагностики по изменению внешнего переменного

магнитного поля трансформатора......................................................................................................117

4.3. Выводы по главе 4......................................................................................................................122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................................124

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ А............................................................................................................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ Б..............................................................................................................................................144

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование электромагнитного поля трансформаторов промышленной частоты с короткозамкнутыми витками»

Актуальность работы

В электроэнергетике широко распространенными преобразователями тока и напряжения являются силовые трансформаторы и измерительные трансформаторы тока и напряжения. К электроэнергетическому оборудованию, как в частности и к трансформаторам, предъявляются высокие требования надежности и экономичности [26]. Конструктивные параметры принято определять путем исследования электромагнитных процессов, протекающих в трансформаторе с использованием схем замещения. В электротехнике описание электромагнитных процессов принято рассматривать с двух позиций: с позиции теории электромагнитного поля и теории электрических цепей. Теория поля развивается на основе уравнений Максвелла, а теория цепей - на основе уравнений Кирхгофа [42].

В настоящее время теория электрических цепей хорошо развита и находит широкое применение, как для анализа электромагнитных процессов в установившемся режиме, так и переходном [35, 41, 66]. Анализ процессов в электрических цепях электромагнитных устройств осуществляется с использованием электрических схем замещения, параметры которых обычно определяются экспериментально, что требует применения специальных измерительных приборов и сопряжено с большими затратами времени. Как известно, более полное представление об электромагнитных процессах можно получить на основе исследования пространственного распределения характеристик электромагнитного поля в электромагнитных устройствах (векторов напряженности магнитного поля и магнитной индукции).

В связи с этим, представляет как научный, так и практический интерес исследование электромагнитного поля трансформаторов, как в рабочем режиме, так и в режиме короткого замыкания. Возникновение короткого

замыкания одного или нескольких витков может привести к аварийной ситуации.

Значимость задачи обеспечения энергетической безопасности, которая возможна лишь при условии безаварийной работы электроэнергетического оборудования, в том числе и трансформаторов, в Российской Федерации нашла отражение в Федеральном законе «О техническом регулировании» и в принятой Правительством РФ «Энергетической стратегии России на период до 2020 года».

Работы в направлении исследования электромагнитного поля электроэнергетического оборудования интенсивно велись такими учеными, как К. С. Демирчян, В. М. Юринов, Н. В. Коровкин, П. А. Бутырин, Е. В. Кононенко, Г. А. Сипайлов, И. П. Копылов, А. В. Богдан, К. Шимони [18, 42, 60, 61, 62]. В области численного расчета электромагнитного поля различных устройств активно работают ученые: Е. Г. Андреева, А. П. Попов, А. С. Татевосян [8, 93, 98]. Работы в направлении диагностирования электроэнергетического оборудования на наличие короткозамкнутых витков интенсивно велись в научной школе академика К. С. Демирчяна и нашли отражение в работах Ю. П. Аксенова, Б. А. Алексеева, Н. В. Силина и др. [2, 3, 6, 36, 101]. Вопросами разработки промышленных трансформаторов тока посвящены работы ряда ученых и инженеров, таких как Р.Ф. Раскулов, А. J1. Гуртовцев, О. И. Баглейбтер, и др. [32, 97, 102]. Среди зарубежных ученых, работающих в этом направлении, следует выделить Е. Lemke, J. Harley, А. Vilson [125, 126, 127].

Результаты моделирования электромагнитного поля электрических машин и трансформаторов в рабочих режимах описаны в работах профессора Ю. Я. Щелыкалова [120]. В известной автору литературе не рассматриваются вопросы исследования электромагнитного поля трансформаторов с учетом нелинейности сердечника, поверхностного эффекта, полей рассеяния

магнитного потока и наличия короткозамкнутых витков в обмотках трансформатора. Учет влияния перечисленных факторов имеет важное практическое значение и позволяет решить некоторые прикладные задачи.

Существующие способы диагностики трансформаторов на наличие короткозамкнутых витков [34, 37, 40, 81, 82, 84 и др.] являются достаточно трудоемкими и требуют дополнительно измерительного оборудования, что увеличивает временные затраты и стоимость процесса диагностирования. Поэтому в электроэнергетике актуальной является проблема получения простых и эффективных способов диагностики трансформаторов.

Объектом исследования является трансформатор промышленной частоты с короткозамкнутыми витками.

Предметом исследования является влияние короткозамкнутых витков на электромагнитные процессы в трансформаторе.

Цель диссертационной работы Анализ электромагнитного поля трансформаторов промышленной частоты с короткозамкнутыми витками, позволяющий учитывать действие вихревых токов (поверхностного эффекта), нелинейности основной кривой намагничивания, геометрических размеров элементов конструкции для расширения области практического применения трансформаторов с короткозамкнутыми витками и определения наличия короткозамкнутых витков в обмотках.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторе при наличии короткозамкнутых витков с учетом конструктивных параметров, электрических и магнитных характеристик элементов конструкции и их расположения в пространстве.

2. На основе теоретических исследований доказать возможность построения безопасного трансформаторного датчика тока, на основе замены вторичной

обмотки трансформатора тока короткозамкнутым кольцом и введения в конструкцию разомкнутой сигнальной обмотки, на которой индуцируется выходной сигнал.

3. Определить влияние конструктивных параметров предлагаемого трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом на электромагнитные процессы с целью оптимизации электромагнитных характеристик этого датчика.

4. Исследовать зависимость фазового сдвига между измеряемым током и напряжением сигнальной обмотки.

5. Сопоставить фазовую погрешность промышленного трансформатора тока и рассматриваемого в работе датчика тока с короткозамкнутым кольцом.

6. Рассмотреть возможность использования полученных результатов по исследованию электромагнитного поля рассматриваемых трансформаторов для обнаружения короткозамкнутых витков.

Методы исследования Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы, базирующиеся на теории электромагнитного поля с использованием комплексного метода расчета, компьютерного моделирования электромагнитного поля методом конечных элементов. Основу методологии работы составляют фундаментальные положения теоретической электротехники, методы математической обработки результатов, методы цифровой обработки сигналов, а также натурные эксперименты.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Результаты исследования электромагнитных процессов, протекающие в трансформаторе при наличии короткозамкнутых витков на основе построения численной модели поля для определения дифференциальных и интегральных параметров трансформатора.

2. Возможность построения безопасного датчика тока широкого применения в системах автоматики и электроснабжения.

3. Возможность осуществлять диагностику трансформаторов на наличие короткозамкнутых витков.

Достоверность научных положений и выводов Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, обеспечивается использованием корректного математического аппарата, позволяющего получать результаты с высокой точностью, совпадением результатов расчетов одних и тех же процессов различными методами и совпадением результатов компьютерного моделирования с результатами, полученными в экспериментальных условиях.

Научная новизна работы К основным научным результатам, которые получены автором, включены в диссертацию и представляются к защите, относятся следующие положения:

1. Впервые исследовано электромагнитное поле трансформатора с короткозамкнутыми витками, с учетом нелинейности ферромагнитного сердечника, поверхностного эффекта и полей рассеяния.

2. Обоснована возможность построения безопасного датчика тока с приемлемой для практики погрешностью измерения первичного тока, достигаемой за счет введения в конструкцию короткозамкнутого кольца, экранирующего магнитный поток сердечника, созданный первичным током и сигнальной разомкнутой обмотки.

3. В результате численных расчетов электромагнитного поля трансформатора с короткозамкнутым кольцом и сигнальной обмоткой, намотанной тонким проводом поверх кольца, или под кольцом при соответствующей полярности включения сигнальной обмотки установлено, что фаза выходного напряжения, наводимого на сигнальной обмотке, совпадает с

начальной фазой измеряемого тока и пропорциональна измеряемому переменному току.

4. На основании численных результатов исследования электромагнитного поля силового трансформатора показана возможность определения наличия короткозамкнутых витков в обмотках трансформаторов.

Практическая значимость работы:

- показана возможность использования трансформатора с короткозамкнутым кольцом в качестве датчика тока с разомкнутой сигнальной обмоткой;

- установлена возможность обнаружения наличия короткозамкнутых витков в силовых трансформаторах с использованием датчиков Холла;

- разработанная методика расчета конструктивных параметров трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом позволяет проектировать датчики для различных систем автоматики.

Реализация результатов работы

В ООО «Энергосервис» внедрен способ диагностики трансформаторов на наличие короткозамкнутых витков по изменению внешнего переменного магнитного поля. В ФГБОУ ВПО «Омский Государственный Технический Университет» (г. Омск) в качестве учебных стендов для проведения лабораторных работ используются образцы трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом. Сделана заявка на способ контроля электроэнергетического оборудования (входящий номер 018412, регистрационный номер 2013112450 от 19 марта 2013 года), которая прошла формальную экспертизу и проходит рассмотрение по существу предложения.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: «III Международной научно-практической конференции «Техника и технология:

новые перспективы развития» г. Москва, 2011 г.; Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!» г.Омск, 2011 г.; Региональной научно - технической конференции «Омский регион - месторождение возможностей» г.Омск, 2011 г.; Международной конференции «Инновационные подходы и современная наука» г.Новосибирск, 2012 г.; Международной научно-практической конференции «Научное пространство Европы» г. Белград, 2012 г. Научных семинарах кафедры (2010 - 2013 гг.).

Публикации

По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 15 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК: «Естественные и технические науки» - Вып.2.(64). -Москва, 2013 г. (1 статья); «Естественные и технические науки» - Вып.6.(62). -Москва, 2012 г. (1 статья); «Омский научный вестник» - Вып.2.(110). - Омск, 2012 г. (1 статья); «Омский научный вестник» - Вып.3.(103). - Омск, 2011 г. (2 статьи); 1 статья на английском языке в журнале «Каика \ 8ШсНа», Польша. Подана заявка на патент на способ контроля электроэнергетического оборудования (входящий номер 018412, регистрационный номер 2013112450 от 19 марта 2013 года).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 156 страницах, содержит 57 рисунков, 37 таблиц и 127 литературных источника.

Содержание работы отражено в четырех главах.

Во введении обоснована актуальность данной диссертационной работы, сформулирована цель и задачи исследований, перечислены основные результаты, выносимые на защиту, определена их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе описаны численные методы решения краевых задач по расчету исследования электромагнитного поля электротехнических устройств.

Поскольку применение эквивалентных схем замещения и других упрощающих инженерных методик расчета параметров трансформатора не всегда возможно, в данной работе показано, что наиболее полную картину происходящих электромагнитных процессов в трансформаторе с учетом нелинейных свойств материала магнитопровода трансформатора, потерь мощности в магнитопроводе и обмотках можно получить в результате численного расчета электромагнитного поля трансформатора с использованием современных программных комплексов прямого моделирования физических полей.

При анализе электромагнитного поля трансформатора можно считать, что оно является плоскопараллельным в плоскостях, параллельных плоскости ХОУ.

В диссертационной работе проводится анализ электромагнитного поля трансформаторов с замкнутым ферромагнитным сердечником при выполнении условия плоскопараллельности поля. При этом кривая В=£(Н) задается в виде таблицы или графиком. Решение краевых двумерных задач, рассматриваемых в данной работе, осуществлено в программном комплексе ЕЬСиТ, в котором реализован метод конечных элементов, широко описанный в различных литературных источниках.

Расчет квазистационарного магнитного поля синусоидальных токов относительно комплексной амплитуды векторного магнитного потенциала, как в линейной, так и нелинейной (ферромагнитной) среде с учетом вихревых токов в прямоугольной системе координат сводится к решению дифференциального уравнения в частных производных.

Комплекс программ ЕЬСиТ позволяет проводить теоретические исследования электромагнитного поля трансформатора с высокой скоростью

вычисления двумерных задач и получать достоверные результаты моделирования.

Во второй главе проведен анализ влияния числа витков вторичной короткозамкнутой обмотки на электромагнитные процессы в трансформаторе тока. В результате было выявлено, что замена вторичной короткозамкнутой обмотки одним короткозамкнутым кольцом или витком позволяет исключить главный недостаток промышленных трансформаторов тока, а именно, опасность аварийного размыкания вторичной обмотки, которое приводит к резкому увеличению значения индукции магнитного поля в сердечнике и возрастанию значения ЭДС на выводах разомкнутой обмотки. Главным критерием оценки влияния числа короткозамкнутых витков является комплексное амплитудное значение магнитного потока в сердечнике под короткозамкнутым витком (кольцом). В условиях равенства площадей поперечного сечения первичной обмотки и короткозамкнутого витка (кольца) магнитный поток сдвинут относительно первичного тока практически на 90°. Если поверх короткозамкнутого кольца намотать сигнальную обмотку тонким проводом, то напряжение сигнальной обмотки будет сдвинуто относительно этого магнитного потока также на 90°. Следовательно, сдвиг по фазе между первичным измеряемым током и напряжением сигнальной обмотки будет практически равен 0°. Подобную конструкцию можно использовать в качестве датчика тока с разомкнутой сигнальной обмоткой.

Также, было определено влияния различных конструктивных параметров, магнитных и электрических характеристик сердечника, короткозамкнутого витка (кольца), обмоточных данных, воздушного зазора в сердечнике на электромагнитные процессы в трансформаторе тока с короткозамкнутым кольцом.

В результате исследования было установлено, что за счет действия короткозамкнутого электропроводящего кольца значение индукции магнитного поля в сердечнике подобной системы много меньше значения индукции насыщения электротехнической стали (более чем в 30 раз), т.е. перемагничивание сердечника осуществляется на начальном участке кривой намагничивания. Фаза магнитного потока в сечении сердечника под короткозамкнутым кольцом практически равна 90°.

Помимо этого, было доказано:

1) в качестве материала электропроводящего короткозамкнутого кольца взамен меди возможно применение дюралюминия без ухудшения фазовых соотношений;

2) воздушный зазор в сердечнике значительно влияет на фазу магнитного потока в сердечнике под короткозамкнутым кольцом, поэтому при конструировании подобных датчиков необходимо использовать неразборный сердечник и разборное кольцо в виде ленты или шины с последующим замыканием (сварка и т.п.);

3) на значение фазы магнитного потока в сечении сердечника под короткозамкнутым кольцом не оказывает влияния высота или толщина короткозамкнутого кольца, определяющим является условие равенства площадей поперечного сечения короткозамкнутого кольца и первичной обмотки (шины) с измеряемым током.

В третьей главе проведен сравнительный анализ современных датчиков измерения переменного тока, в результате которого было выявлено, что наиболее часто применяемым измерителем переменного тока в промышленности является трансформатор тока. Его главный недостатком является возникновение аварийной ситуации в случае размыкания вторичной короткозамкнутой обмотки. Поэтому вопрос применения рассматриваемого

трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом с разомкнутой сигнальной обмоткой является актуальным. Автором также разработана методика расчета конструктивных параметров рассматриваемого трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом с разомкнутой сигнальной обмоткой, позволяющая учитывать значение фазовой погрешности и значение выходого напряжение сигнальной обмотки. Приведены результаты расчета конструкции этих датчиков на 50 А и на 500 А. Соответствие реальной и заданой фазовой погрешности подтверждены результатами расчета комплексного значения магнитного потока в программном комплексе ЕЬСиТ.

В результате сравнительного анализа фазовой погрешности трансформаторного датчика тока с коротозамкнутым кольцом и промышленного трансформатора тока было выявлено, что фазовая погрешность трансформаторного датчика тока меньше фазовой погрешности трансформатора тока при одинаковых исходных данных (значение измеряемого тока), конструкции сердечника и шины с первичным током.

Кроме того, в главе 3 приведены результаты экспериментального исследования. В ходе эксперимента одновременно осуществлялась регистрация измеряемого тока и выходного напряжения сигнальной обмотки рассматриваемого трансформаторного датчика тока. Измерение первичного тока осуществлялось промышленным трансформатором тока. Из экспериментальных данных следует, что практически совпадают по фазе и форме выходные сигналы трансформатора тока и трансформаторного датчика тока, это доказывает возможность практического использования такого датчика в различных системах автоматики и электроснабжения, также это свидетельствует о достоверности результатов исследования электромагнитного поля трансформаторного датчика тока в программном комплексе ЕЬСиТ.

Также в главе 3 была экспериментально проверена нагрузочная способность трансформаторного датчика тока, в результате выявлено, что

значение выходного напряжения сигнальной обмотки не зависит от величины сопротивления нагрузки начиная от нескольких сот Ом. Это позволяет говорить о том, что подобный датчик тока возможно использовать в системах автоматики, микропроцессорной и вычислительной технике.

В четвертой главе был проведен анализ существующих способов определения короткозамкнутых витков в обмотках трансформаторов, в результате которого было выявлено, что существующие способы диагностики трансформаторов требуют дорогостоящего оборудования и значительных затрат времени. В ходе выполнения диссертационной работы были разработаны способы диагностики трансформаторов на наличие короткозамкнутых витков по исследованию электромагнитного поля трансформаторов с короткозамкнутыми витками. При возникновении короткозамкнутых витков в обмотках трансформатора происходит выпучивание переменного магнитного потока во внешнюю область трансформатора. Выпучивание магнитного потока может быть обнаружена путём измерения переменного магнитного поля по периметру трансформатора магнитометром, например, датчиком Холла или катушкой индуктивности.

Также при возникновении короткозамкнутого витка в обмотке трансформатора возрастает значение тока холостого хода первичной обмотки, по изменению этого тока можно судить о наличии короткозамкнутых витков.

Определение наличия короткозамкнутых витков на основе исследования электромагнитного поля не требует дорогостоящего диагностического оборудования, просто в проведении и позволяет получить результат диагностики с высокой достоверностью обнаружения наличия и места расположения КЗ витка.

В приложениях приведены результаты исследования электромагнитного поля трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом с сердечником, выполненным из аморфного железа; результаты

экспериментальных исследований трансформаторного датчика тока подобной конструкции; картины распределения электромагнитного поля в датчике; осциллограммы напряжений сигнальной обмотки датчика; результаты сравнительного анализа современных датчиков тока на разный класс напряжений; акты о внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс и производство.

ГЛАВА 1.

1.1. МЕТОДЫ АНАЛИЗА И РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТРАНСФОРМАТОРЕ С ФЕРРОМАГНИТНЫМ

СЕРДЕЧНИКОМ

Исследование электромагнитного поля позволяет получить полную картину электромагнитных процессов протекающих в любом электротехническом устройстве, в частности в трансформаторе. Расчет электромагнитных характеристик электротехнических устройств возможно осуществить численными методами.

Математическое описание электромагнитных явлений и эффектов в расчетах позволяет оценить эффективность электротехнического устройства, определить его параметры и рабочие характеристики.

Расчет электромагнитных параметров электрических машин и трансформаторов в электроэнергетике принято проводить с разных позиций: с позиции теории поля и теории цепей [10, 11]. Теория поля развивается на основе уравнений Максвелла, а теория цепей - на основе уравнений Кирхгофа [42].

Для расчета электрических цепей трансформатор представляют в виде наглядной схемы цепи с сосредоточенными параметрами, не содержащей взаимных индуктивностей [45, 66]. По схемам замещения можно рассчитывать установившиеся процессы при различных частотах, а так же провести анализ различных режимов работы: холостой ход, короткое замыкание, под нагрузкой (активной, емкостной, индуктивной).

Для построения схемы замещения трансформатора возможны два противоположных подхода [62, 63,67]:

1. Трансформатор представляют в виде «4-х полюсника», о внутреннем устройстве которого ничего не известно. Любая электрическая схема, имеющая

схожие внешние характеристики может являться схемой замещения. Подобный подход для реальных трансформаторов со стальным магнитопроводом без зазора непригоден, из-за нелинейности сердечника. В публикациях о схемах замещения считается, что при применении данного подхода все внешние параметры трансформатора известны с достаточной точностью [66].

2. В трансформаторе известны геометр размеры, материал сердечника, обмоточные данные, также задана нагрузка и внешний источник электрической энергии. В этом случае на основе уравнений Кирхгофа для первичной и вторичной обмоток составляется эквивалентная схема замещения, не содержащая взаимных индуктивностей. Параметры этой схемы замещения определяются расчетными или экспериментальными методами. Недостатком данного подхода является то, что необходимо экспериментально определять параметры схемы замещения, что требует больших затрат времени и специального оборудования.

Взамен метода эквивалентных схем замещения и других упрощающих инженерных методик расчета трансформатора применяются программы прямого моделирования физических полей. Широко известны и имеют развитую теоретическую базу и хорошие примеры практической реализации универсальные методы численного решения краевых задач: конечно-разностный метод, метод интегральных уравнений (метод вторичных источников тока) и метод конечных элементов [8, 17].

Наиболее полно анализ процессов в трансформаторе можно получить из расчета электромагнитного поля трансформатора.

Электромагнитное поле трансформаторов как в области высоких, так и нижних частот описываются в общем случае уравнениями Максвелла:

го1Е -

дВ

~д7'

сНуИ - р\ сНУВ =0; divJ = 0; В=мН;

В = £Ё;

1 г

дt

(1.1)

где 3 = Уяр + 3см + •/«<?/? - вектор плотности полного тока, имеющая три составляющих: 1пр = уЕ- вектор плотности тока проводимости; 1 см =сЮ/Ж -вектор плотности тока смещения; 3 = р 3 - вектор плотности тока переноса;

£ - £п • €

абсолютная диэлектрическая проницаемость среды,

— 12

£0 = 8,854 -10 (Ф/м) - электрическая постоянная вакуума (воздуха), £' -

относительная диэлектрическая проницаемость среды; ^ = //0 • //' - абсолютная

—7

магнитная проницаемость среды; //0 = 4 • л • 10 (Гн/м) - магнитная постоянная вакуума (воздуха).

Если свойства среды, определяемые коэффициентами £,/л,у, неизменны,

то все записанные уравнения будут линейными. Этому условию соответствует принцип суперпозиции, согласно которому поле, образованное несколькими

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Клименко, Ксения Александровна, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Адоньев Н. М. Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения / Н. М. Адоньев, В. В. Афанасьев, И. М. Бортник др.; Под ред. В. В. Афанасьева. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 544 с.

2. Аксенов Ю. П., Голубев А. В., Завидей В. И. Контроль технического состояния трансформаторов тока ТФРМ на рабочем напряжении// Энергетик. -2004. -№3. - С.27 - 29

3. Алексеев Б. А. Обследование состояния силовых трансформаторов.

СИГРЭ - 2002 // Электрические станции. - 2003. - №6. - С.51-57

4. Аллилуев А. А., Зуев В.А., Кужеков С. Л., Сапронов A.A. Микропроцессорное устройство для снятия вольтамперных характеристик трансформаторов тока// Изв. вузов. Электромеханика. - 1990. - №11.-С.99

5. Аморфные металлы. Судзуки К., Фудзимори X., Хасимото К. / Под ред. Масумото Ц. Пер. с япон. - М.: Металлургия, 1987. - 328 с.

6. Алпатов М. Е., Бутырин П.А. Диагностика силовых трансформаторов под нагрузкой. // Изв. РАН Энергетика. - 1996. - №1. - С.74-81.

7. Андреев Ю.А., Абрамзон Г.В. Преобразователи тока без разрыва цепи. -Л.: Энергия, 1979.

8. Андреева Е. Г. Математическое моделирование электротехнических комплексов: монография / Е. Г. Андреева, В. 3. Ковалев. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 1999.- 172 с.

9. Авторское свидетельство 1198582 СССР. Трансформатор тока / В. В. Бысов, А. И. Колесник, Ю. А. Гоцевич. - Опубл: в БИ № 46, 15.12.1985.

10. Атабеков Г. И. Теоретические основы электротехники. - М.: Энергия, 1966,- 320 с.

11. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. - М.: Энергия, 1969.

12. Атамалян Э.Г. Методы и средства измерения электрических величин / Э.Г. Атамалян, Ю.В. Портной, Ю.Д. Чепурнова. - М.: Высшая школа, 1974.

- 200 с.

13. Афанасьев В. В. и др. Трансформаторы тока / В. В. Афанасьев, Н. М. Адоньев, Л. В. Жалалис, И. М. Сирота, Б. С. Стогний. - М.: Энергия, 1980.

- 340 с.

14. Бажанов С.А. Маслонаполненные трансформаторы тока. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 80 с.

15. Барзилович В. М. Высоковольтные трансформаторы тока. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 248 с.

16. Бачурин Н.И. Трансформаторы тока. Расчеты и конструкции. - М.; Л.: Энергия, 1964. - 376 с.

17. Бахвалов Н. С., Численные методы / Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. М. - М. Лаборатория базовых знаний, 2002. - 632 с.

18. Богдан, А. В. Повышение технического совершенства устройств защиты с ферромагнитными элементами на основе вычислительного эксперимента: 05.14.02 «Электростанции и электроэнергетические системы» [Текст]: Автореферат дис. доктора технических наук. - Новочеркасск, 1994. - 36 с.

19. Бонерт, К. Прорыв в области измерения сильных постоянных токов / Клаус Бонерт, Петер Гугенбах // АББ Ревю. - 2005. №1. С.6-10.

20. Вавин В. Н. Трансформаторы тока. - М.; Л.: Энергия, 1966. - 104 с.

21. Васильев С. Е. и др. Справочник по наладке электроустановок и электроавтоматики/ С. Е. Васильев, Б. М. Забарский, Е. И. Забокрицкий. - Киев: Наукова думка, 1966. - 710 с.

22. Власов, М. А. Оптические трансформаторы: первый опыт / М. А. Власов, А. А. Сердцев // Энергоэксперт. - 2007. №1 . С.46-49.

23. Волович Г. Интегральные датчики Холла [Электронный ресурс] / Г. Волович // НПФ Электропривод. - Режим доступа: www.gearmotor.ru/holl.htm. -Загл. с экрана.

24. Глазенко Т. А., Прянишников В. А. Электротехника и основы электроники. М.: Высшая школа, 1996. - 207 с.

25. ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия -Взамен ГОСТ 7746-89 - Введ. 2003-01-01- М.: Изд-во стандартов, 2002.

26. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Взамен ГОСТ 13109-87- Введ. 199901-01 -М.: Изд-во стандартов, 1998.

27. ГОСТ 214271-83. Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1983.

28. ГОСТ 8.217-2003. Государственная система обеспечения единства измерений. Трансформаторы тока. Методика поверки - Взамен ГОСТ 8.217-87. - Введ. 2004-04-01 - М.: Изд-во стандартов, 2003.

29. Грабовсков С. Н. Методы и программно - аппаратные средства для выявления короткозамкнутых витков во вторичных обмотках трансформаторов тока: 05.14.02 «Электростанции и электроэнергетические системы» [Текст]: дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. Наук. - Новочеркасск, 2001. - 161 с.

30. Гуревич, В. И. Оптоэлектронные трансформаторы: панацея или частное решение частных проблем? / В. И. Гуревич // Вести в электроэнергетике. -2010. №3. С.24-28.

31. Гуртовой К. Г. Магнитные свойства ферромагнитных металлов и сплавов// Физические величины: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. С.613-646.

32. Гуртовцев А. Л. Оптические трансформаторы и преобразователи тока. Принципы работы, устройство, характеристики.// Новости электротехники. -2009.-№5,-С. 55-59.

33. Данилов А. Современные промышленные датчики тока // Современная электроника. 2004. № 1. С. 26—36. Электрика. - 2005. - №5. - С.32-38.

34. Дегтярев С. А., Долин А.П., Першина Н.Ф. Основные концепции комплексного диагностического обследования трансформаторов. // Электро. -2003. №2. - С. 17-26.

35. Демирчян К. С., Нейман Л. Р., Коровкин Н. В., Чечурин В. Л. Теоретические основы электротехники, т. 1-3. - СПб.: Питер, 2003. — 377 с.

36. Демирчян К. С., Ракитский Ю. В., Бутырин П. А., Карташев Е. Н., Коровкин Н. В. Проблемы численного моделирования процессов в электрических цепях. - Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1982, № 2. -С. 94-114.

37. Долин А.П., Ленков А.Ю. Диагностика развивающихся дефектов силовых трансформаторов // Электрика.- 2005. - №5. - С.32-38.

38. Дроздов А.Д. Электрические цепи с ферромагнитными элементами в релейной защите. - М.: Энергоатомиздат. - 1986. - 250 с.

39. Дружинин В. В. Магнитные свойства электротехнической стали / В. В. Дружинин. -М.: Энергия, 1974.-240 с.

40. Засыпкин A.C. Релейная защита трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 240 с.

41. Зевеки Г. В. Основы теории цепей / Г. В. Зевеки [и др.]. - М.; Л.: Энергия, 1965.-444 с.

42. Иванов - Смоленский А. В. Электрические машины: учебник для вузов, т. 1-2. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 532 е.: ил.

43. Иржи Л., Милош Ш. Вихревые токи, перевод с чешского, М. - Л.: Энергия, 1967.-208 с.

44. Казанский В. Е. Измерительные преобразователи тока в релейной защите. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 240 с.

45. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Справочная книга. Л.: Энергия, 1970. - 415 с.

46. Кифер И. И. Магнитные материалы// Электротехнический справочник/ Под ред. Грудницкого П. Г. и др. М.: Энергия, 1971. Т. 1. С.219-233.

47. Классен, К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике: пер. с англ. / К.Б. Классен. - М.: Постмаркет, 2000. -352 с.

48. Клименко К. А. Сравнительный анализ современных датчиков тока // Молодой ученый. - №8 (31). -2011. - Том 1.-С. 66-68.

49. Клименко К. А. Исследование влияния магнитных свойств материала сердечника на электромагнитное поле системы «шина с током - шихтованный сердечник, окруженный короткозамкнутым кольцом» // Аспирант и соискатель. -№4(64).-2011.- С. 65-69.

50. Клименко К. А. Исследование влияния конструктивных параметров короткозамкнутого кольца на электромагнитное поле системы «шина с током -ферромагнитный шихтованный замкнутый сердечник» // Омский научный вестник. - 2011. - Вып. 3.(103). - С.174-178.

51. Клименко К. А. Исследование влияния материала короткозамкнутого кольца на электромагнитное поле системы «шина с током - ферромагнитный шихтованный сердечник, окруженный короткозамкнутым электропроводящим кольцом» // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность : матер. IV Всерос. молодежной науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. -С. 57-59.

52. Клименко К. А. Результаты численного расчета влияния поперечного сечения магнитопровода на электромагнитное поле датчика тока с короткозамкнутым кольцом // Россия молодая: передовые технологии - в

промышленность : матер. IV Всерос. молодежной науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 59 - 62.

53. Клименко К. А. Нагрузочная способность датчика тока с короткозамкнутым кольцом // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность : матер. IV Всерос. молодежной науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011.-С. 62-65.

54. Клименко К. А. Влияние воздушного зазора магнитопровода на электромагнитное поле системы «шина с током - шихтованный магнитопровод, окруженный короткозамкнутым кольцом» // Техника и технология: новые перспективы развития: Материалы III международной научно - практической конференции (30.09.2011). - М.: Издательство «Спутник +», 2011.-С. 26-30.

55. Клименко К. А. Экранированный датчик тока с сердечником из аморфного железа // Техника и технология: новые перспективы развития: Материалы III международной научно - практической конференции (30.09.2011). - М.: Издательство «Спутник +», 2011. - С. 30 - 34.

56. Клименко К. А. Применение аморфного железа для улучшения электромагнитных характеристик трансформаторного датчика тока // «Инновационные подходы и современная наука»: материалы международной заочной научно-практической конференции. (13 февраля 2012 г.); [под. ред. Я. А. Полонского]. Новосибирск: Изд. «ЭКОР-книга», 2012.-е. 33-38.

57. Клименко К. А. Исследование влияния короткозамкнутых витков на электромагнитное поле трансформатора // Естественные и технические науки. - 2012. - Вып. 6.(62). - С. 360-364.

58. Ковнеристый Ю. К. Объемно-аморфизирующиеся металлические сплавы [Текст] / Ю. К. Ковнеристый. - М.: Наука, 1999. - 80 с.

59. Козенков Д. Интегральные датчики тока // Электронные компоненты. 2005. №9. С. 59-64.

60. Козлов В.Н. Математическое моделирование электромеханических систем с гистерезисом //. Электричество. 2001. -№ 4. - С.52-55.

61. Комаров Е.В. и др. Испытания магнитных материалов и систем / Е.В. Комаров, А.Д. Покровский, В.Г. Сергеев, А.Я. Шихин - М.: Энергоатомиздат, 1984.-376 с.

62. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2001. - 327 е.: ил.

63. Копылов И. П. Электрические машины / И. П. Копылов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с.

64. Корогодский В.И. и др. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ / В.И. Корогодский, СЛ. Кужеков, Л.Б. Паперно. - М.: Энергоатомиздат. - 1987. - 248 с.

65. Кузнецов А.П., Степанов Ю.А. Методы и средства проверки релейной защиты и автоматики в распределительных электросетях. - М.: Энергоатомиздат. - 1992. - 96 с.

66. Кузовкин И. А. Теоретическая электротехника: учебник/ И. А. Кузовкин. - М.: Логос, 2006. - 479 с.

67. Лайтес Л. В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. -М. Энергия, 1981.-392 е., ил.

68. Левшина, Е.С. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи / Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.

69. Лейтман М.Б. Компенсационные измерительные преобразователи электрических величин. - М.: Энергия, 1978. - 224 с.

70. Лившиц Н. С. Радиотехнические измерения / Н. С. Лившиц, Б. Е. Телешевский. - М. : Высшая школа, 1972. - 208 с.

71. Маргелов А. Датчики тока компании Honeywell // Электронные компоненты. 2007. № 3. С. 121—128.

72. Мейдза, Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерения: пер. с англ. / Ф. Мейдза. - М. : Мир, 1990. - 535 с.

73. Методы и средства измерений : учеб. пособие / под ред. Э. Г. Миронов. -Екатеринбург.: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2009. - 463 с.

74. Мишин Д. Д. Магнитные материалы: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1991. - 384 е.: ил.

75. Миловзоров В. П. Электромагнитная техника / В. П. Миловзоров. - М.; Л.: Энергия, 1964.-512 с.

76. Некрашевич, Е. Волоконно - оптические датчики тока / Е. Некрашевич, Н. Старостин // Электронные компоненты. - 2006. №11. С.76-77.

77. Окоси Т. Волоконно - оптические датчики / Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу; под ред. Т. Окоси; пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.

78. Основы метрологии и электрические измерения: учебник для вузов/ под ред. Е. М. Душина. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 480 с.

79. Патент РСТ 9627802, кл. 6G01R 19/00, 1996.

80. Патент РСТ 9615460, кл. G01R 15/20, 1994.

81. Патент РФ. RU 2415446. Способ контроля электрических обмоток на межвитковое короткое замыкание / А. А. Афонасов, А. В. Корнеев, Е. А. Петров. - Опубл: в БИ № 9, 27.03.2011.

82. Патент РФ. RU 2419101. Способ определения короткозамкнутых витков в электрических обмотках / Г. В. Костин, А. В. Меркушов. - Опубл: в БИ № 3, 27.01.2011.

83. Патент РФ. RU 2321000. Волоконно-оптический трансформатор тока / С. А. Вицинский, И. Л. Ловчий, С. Ф. Мокеев, Э. П. Соловьев, М. К. Ярмаркин. -Опубл: в БИ № 9, 27.03.2008.

84. Патент РФ. RU 2305291. Способ определения короткозамкнутых витков в электрических обмотках / А. А. Афонасов, А. В. Корнеев, Е. С. Пригоркин. -Опубл: в БИ № 24, 27.08.2007.

85. Патент СССР №928259, МПК вОШ 31/06, 1982 г.

86. Патент Швейцарии 0684216, кл. вОЖ 19/20, 1994.

87. Патент Японии 6019377, кл. С01Я 15/02, 1994.

88. Патент Японии 6019378, кл. 001Я 15/02, 1994.

89. Патент Японии 6019380, кл. вОШ 15/02, 1994.

90. Платонов В. В. и др. Устройство для автоматизированного снятия вольт-амперных характеристик трансформаторов тока// Инф. Листок Сев. - Кавк. ЦНТИ №202-74, 1974.

91. Поливанов К.М. Ферромагнетики. Основы теории технического применения. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1957. - 254 с.

92. Попов А. П., Клименко К. А. Экспериментальное исследование электромагнитного процесса в системе линейный проводник с током, окруженный электропроводящим цилиндром. // Омский регион -месторождение возможностей : матер, науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 269 - 271.

93. Попов А. П., Клименко К. А. Расчет сигнала трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом по заданным геометрическим размерам и параметрам сигнальной обмотки // Омский научный вестник. - 2012. - Вып. 2.(110).- С.186-189.

94. Попов А. П., Клименко К. А. Исследование электромагнитного поля системы «шина с током - ферромагнитный сердечник, окруженный короткозамкнутым электропроводящим кольцом» // Омский научный вестник. -2011.-Вып. 3.(103).- С.160-164.

95. Попов А. П., Клименко К. А. Исследование электромагнитного поля силового трансформатора напряжения в режиме холостого хода при наличии короткозамкнутых витков // Естественные и технические науки. - 2013. - Вып. 2.(64).-С. 184-188.

96. Портной Г.Я., Болотин O.A., Разумовский К.П. Датчики тока как базовый элемент массовых средств измерений // Приборы и системы упр. 1999.- № 1. -С. 41—45.

97. Раскулов Р. Ф. Влияние вторичной нагрузки на погрешности трансформаторов тока // Электрические станции. - 2003. - №7.

98. Расчет электрических и магнитных полей методом конечных элементов с применением комплекса программ ELCUT : учеб. пособие / А. П. Попов [и др.].

- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - 84 с.

99. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы. М.: Наука, 1989, 432с.

100. Сегерлинд J1. Применение метода конечных элементов: [пер. с англ.] / JI. Сегерлинд. - М.: Мир, 1979. - 392 с.

101. Сергеев В. Г. Магнитные материалы// Электротехнический справочник/ Под ред. Герасименко В. Г. и др. М.: Энергия, 1985. Т.1. С.439-463.

102. Силин Н. В. Оценка технического состояния электроэнергетического оборудования по спектральным характеристикам излучаемого им электромагнитного поля: 05.09.05 - Теоретическая электротехника: Диссертация доктора технических наук / Н. В. Силин, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2009. - 308 с.

103. Сопьяник В. X. Погрешности измерительных трансформаторов тока: исследования, особенности, рекомендации // Новости ЭлектроТехники. - 2004.

- №6. (30).

104. Стародубцев Ю. Н. Теория и расчет трансформаторов малой мощности. -М.: ИП Радио Софт, 2005. - 320 е.: ил.

105. Степанов Ю.А., Степанов Д.Ю. Оптимизация измерительного комплекса учета электрической энергии и релейной защиты. - М.: Энергоатомиздат, 1998. -208 с.

106. Тамм И. Е. Основы теории электричества: Учеб. пособие для вузов.

- 11-е изд., испр. и доп. - М., ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 616 с.

107. Терейковский А. С. Сердечники из аморфных сплавов [Электронный ресурс] // Ферриты и ферритовые сердечники ЛЭПКОС. URL: http://ferrite.com.ua/amorphous/index.html (дата обращения: 19.09.2011).

108. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. Учеб. пособие для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. - М., Энергия, 1976. - 544 е.: с ил.

109. Указ президента РФ «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации» от 21 мая 2006 г. №ПР-843

110. Уткин А. Датчики тока ACS750 фирмы Allegro: теория и практика // Современная электроника. 2004. № 2. С. 18—21.

111. Ураксеев М.А., Карунас К.Н., Шишкин С.Л. Трансформаторные датчики электрического тока // Приборы и системы. УКД. 2002. № 11. С. 37—39.

112. Ураксеев М.А., Марченко Д.А. Магнитооптические датчики электрического тока // Приборы и системы. УКД. 2003. № 3. С. 41—44.

113. Харт, X. Введение в измерительную технику: пер. с нем. / X. Харт. - М.: Мир, 1999.-391 с.

114. Чечерников В.И. Магнитные измерения. - М.: Издательство Московского университета. - 1963. - 280 с.

115. Чернобровое Н. В., Семенов В.А., Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 800 с.

116. Шваб А. Измерение на высоком напряжении: Измерительные приборы и способы измерения,- 2-е изд.: Пер. с нем. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

117. Шимони К. Теоретическая электротехника. - М.: Мир, 1964. - 775 с.

118. Шляндин В.М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы. -М.: Высшая школа, 1973.

119. Шредер К., Залесский К. Сравнение различных методов мониторинга трансформаторов // Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. Вып.30: Методические основы и практический опыт

инфракрасного термографического обследования энергетического оборудования, зданий и сооружений. - СПб.:ПЭИГЖ,2006. - С.349-364.

120. Щелыкалов, Ю. Я. Математическое моделирование и автоматизация расчетов полей в электрических машинах и трансформаторах:05.09.01 -Электрические машины: Диссертация доктора технических наук / Ю. Я. Щелыкалов, Ивановский энергетический институт им. В.И. Ленина, 1986. -490 с.

121. Электрические измерения / В. Н. Малиновский, Р. М. Демидова-Панферова, Ю. Н. Евланов и др.; Под. ред. В. Н. Малиновского. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

122. Электротехнический справочник: В 4 т. Т. 1. Общие вопросы. Электротехнический материалы / Под общ. ред. профессоров МЭИ В. Г. Герасимова и др. - 9-е изд., стер. - М.: МЭИ, 2003. - 440 с.

123. ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 5.5: Руководство пользователя. - СПб.: Производственный кооператив ТОР. - URL: http:/www.tor.ru/elcutydemo/Manual.pdf

124. Popov А. P., Klimenko X. A. Research of influence of the magnetic properties of core material on the electromagnetic field of system // Przemysl. Nauka i studia, 2012.c.75-79.

125. Babnik Т., Aggarwal R., Moore P. Data mining on a transformer partial discharges data using the self-organizing map. IEEE Trans. On dialectrics and insulation. Vol. 14, No 2, april 2007, pp. 444-452.

126. Bolliger A., Lemke E. PD diagnostics — its history and future. Workshop 2001, Alexandria, Virginia, - p. 11-22.

127. Harley J. PD Test Experience and TPAS - 400. Proc. Of the Tenth TPAS User's Group. July. 1995.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

А.1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ДАТЧИКОВ ТОКА

НА РАЗНЫЙ КЛАСС НАПРЯЖЕНИЙ

В промышленности наиболее широкое распространение получили четыре типа датчиков тока [47]:

1. резистивные датчики;

2. датчики тока на эффекте Холла;

3. трансформаторы тока;

4. волоконно-оптические датчики тока (ВОДТ).

Проведем анализ характеристик этих типов датчиков тока на 3 класса напряжения (низкого - до 1 кВ, среднего - от 1 до 35 кВ, высокого - от 110220 кВ). Полученные данные сведем в таблицы.

На напряжение до 1 кВ (таблица А.1) применяются 3 вида датчиков тока:

1. резистивные датчики;

2. датчики тока на эффекте Холла;

3. трансформаторы тока.

Широкий диапазон измеряемых токов имеют трансформаторы тока и резистивный датчик тока. Однако резистивный датчик тока обладает явными преимуществами, выраженными в низкой стоимости и возможности измерять как переменный, так и постоянный токи. Главным недостатком резистивного датчика тока является необходимость подключать датчик непосредственно в цепь измерения. Главным недостатком трансформатора тока является измерение только переменных токов промышленной частоты. Датчик тока на основе эффекта Холла обладает рядом преимуществ, которые заключаются в возможности измерения как постоянных, так и переменных токов, и малых размерах. К их главным достоинствам следует отнести отсутствие вносимых с систему потерь мощности, измерение в широком диапазоне частот. Главным недостатком является необходимость внешнего источника питания [33].

Таблица А. 1. Датчики тока на номинальное напряжение до 1 кВ

Характеристика Трансформатор Резистивный Датчик тока на Оптоволоконный

тока датчик тока Эффекте Холла датчик тока

Диапазон -45-+50 -40-+60 -40-+150

рабочих

температур, С

Номинальное до 0,66 до 1 кВ до 6 кВ

напряжение, кВ

Номинальные 5; 10; 15; 20; 30; 0,3; 0,5; Открытого типа:

токи,А 40; 50; 75; 80; 0,75; ±57...±950 А

100, 150; 200; 1; 1,5; 2; 2,5; Компенсационного

300; 400; 600; 3;4; 5; 6; типа:

800;1000; 1500; 7,5; 10; 15; ±5... ±1200 А

2000; 3000;4000; 20; 30; 50; С логическим

5000;6000; 75; 100; 150; выходом:

15000; 25000 200; 300; 0,5, 3,5, 5,0, 7,0,

500; 600; 10,0 и 54,00 А

1000; 1500; о н

2500;4000; 1) к

6000;7500; ж «и

10000; 15000 к

Класс 0,2; 0,28; 0,5; 0,02; 0,05; от 0,1 до 0,8 о. с

точности 0,5Б; 1 0,1; 0,2; 0,5 <и

Масса, кг от 0,5 до 170 от 0,1 до 35 до 1 кг

Время 30 15 20

эксплуатации,

года

Рабочая 50, 60 Гц > 500 кГц Открытого типа:

частота < 100 кГц Компенсационного типа: > 1 МГц

Гальваническая электромагнитная нет абсолютная

развязка

вторичных

цепей

Стоимость средняя низкая высокая

На средний класс напряжения (таблица А.2) преимущественно используются трансформаторы тока, датчики Холла не используется из-за низких значений напряжения изоляции подобных датчиков [23].

Таблица А.2.Датчики тока на номинальное напряжение 6-35 кВ

Характеристика Трансформатор Резистивный Датчик тока Опто-

тока датчик тока на Эффекте Холла волоконный датчик тока

Диапазон рабочих -45-+50

температур, С

Номинальное 10

напряжение, кВ

Номинальные токи, А 5, 10, 15,20,30, 40, 50, 75, 80,

100, 150, 200, 300, 400, 600, 750, 800, 1000; 0? о н а> о? « о н 1) к « о н а> к

1000; 1500; 2000; 3000; 4000; 5000; 6000 К 1) К о. с ж <и к о. с ж 1) а. с

Класс точности 0,28; 0,58; 0,5 <и О) <и

Масса, кг от 20 до 90 РС X

Рабочая частота, Гц 50, 60

Гальваническая развязка электромагнитна

вторичных цепей я

Параметры выходных 1 А;

данных вторичнои цепи 5 А

Стоимость, руб высокая

При высоком классе напряжения используются трансформаторы тока и волоконно-оптические датчики тока (таблица А.З).

Главными недостатками трансформатора тока являются:

1. опасность размыкания вторичной измерительной обмотки;

2. значительная масса, в том числе за счет изоляционного материала (масла), который, к тому же, является горючим веществом.

Таблица А.З.Датчики тока на номинальное напряжение 110 - 220 кВ

Характеристика Трансформатор тока Резистивный датчик тока Датчик тока на Эффекте Холла Оптоволоконный датчик тока

Диапазон рабочих температур, С -60-+55 -50-+60

Номинальное 110-750 110-750

напряжение, кВ

Номинальные токи, 100; 150; 200; 100-500 000

А 250; 300; 400;

500; 600; 750;

800; 1000; 1200;1 « 05

250; 1500; 1600; о н О н

2000; 2500; 3000; <и О) «

3500;4000; 5000; ж 1) X а

6000;8000;9000; К

10000; 12000; Он с Он с

15000; 18000 (и <и

Класс точности 0,2; 0,5 щ 0,2

Масса, кг 450 - 7500 от 40 до 400

Время эксплуатации,года 30 30

Гальваническая развязка вторичных цепей электромагнитная абсолютная

Стоимость, руб высокая высокая

Подобных недостатков лишены волоконно-оптические датчики тока (ВОДТ) [22]. ВОДТ позволяют производить измерения в широком диапазоне измеряемых токов (до 500 к А) с высокой точностью, в широком частотном диапазоне, помимо этого конструкцию подобных датчиков отличает пожаробезопасность [76]. Ограничением в использовании ВОДТ в РЗиА является необходимость специальных терминалов, что ведет к дополнительному увеличению конечной стоимости процесса измерения [77].

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Б.1. ЭКРАНИРОВАННЫЙ ДАТЧИК ТОКА С СЕРДЕЧНИКОМ ИЗ

АМОРФНОГО ЖЕЛЕЗА

Для экспериментального подтверждения возможности применения в качестве материала магнитопровода трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом аморфного железа проведен сравнительный анализ результатов исследования осциллограмм выходных сигналов, получаемых с трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом и резистивного датчика тока [54].

Для этого необходимо определить фазовый сдвиг между сигналами, полученными с резистивного датчика тока и трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом и определить значения индукции магнитного поля в магнитопроводе из аморфного железа под проводящим короткозамкнутым кольцом или экраном.

Аморфные сплавы - особый класс прецизионных сплавов, отличающихся от кристаллических сплавов структурой, способом изготовления и комплексом физических свойств. В структуре аморфных сплавов отсутствует периодичность в расположении атомов. По сравнению с кристаллическим металлом аморфные сплавы в несколько раз прочнее, имеют более высокую коррозионную стойкость и лучшие электромагнитные характеристики [5].

Магнитомягкие аморфные сплавы - ферромагнитные сплавы с узкой петлёй гистерезиса. Особенностью магнитомягких аморфных сплавов по сравнению с кристаллическими является большое (около 20 %) содержание немагнитных элементов, как бор, углерод, фосфор и проч., необходимых для сохранения аморфной структуры. Наличие этих элементов снижает максимальные значения индукции насыщения в аморфных сплавах по сравнению с кристаллическими и увеличивает температурный коэффициент магнитных свойств. Эти же элементы увеличивают электросопротивление,

повышают твёрдость и прочность аморфных сплавов, а также их коррозионную стойкость [57].

Магнитопроводы из аморфных и нанокристаллических сплавов имеют значительно меньшие удельные магнитные потери по сравнению с электротехнической сталью, пермаллоями и ферритами. Они обладают высокой относительной начальной и максимальной магнитной проницаемостью и индукцией насыщения на высоких частотах. Благодаря уникальным свойствам, аморфные сплавы получили широкое распространение в современной радиоэлектронной аппаратуре и электротехнических устройствах [105].

Экспериментальные исследования проводились на образце экранированного датчика тока, представленного на рисинке Б.1. Экранированный датчик тока состоит из:

1) тороидального сердечника, изготовленного из лент магнитомягких аморфных сплавов (марка ММ-11Н, толщина листа 12 нм);

2) защитного пластикового контейнера (бокса);

3) сигнальной обмотки (провод из меди, диаметр 0,28 мм, 100 витков);

4) экрана из электропроводящего материала (алюминий).

3

4

й й я 2

Шина с первичным током

Рисунок Б.1- Поперечный разрез экранированного датчика тока: 1 - сердечник из аморфного железа; 2 - защитный пластиковый контейнер; 3 - сигнальная обмотка (сигнальная обмотка охватывает сердечник как на рисунок Б.2); 4 - короткозамкнутый виток вторичной обмотки (экран)

Рисунок Б.2 - Экранированный датчик тока: 1 - сердечник из аморфного железа в защитном контейнере; 2 - сигнальная обмотка

Структурная схема экспериментальной установки приведена на рисунке Б.З, где обозначено:

1 - регулируемый источник синусоидального тока (1=44,80 А);

2 - экранированный датчик тока с сердечником из аморфного железа;

3 - проволочное сопротивление нагрузки (1,0 Ом);

4 - резистивный датчик тока (75ШСМЗ на 50 А, 75 мВ, класс точности 0,5), сопротивление резистивного датчика тока (0,0015 Ом);

5 - аналого-цифровой преобразователь (ШВ осциллограф);

6 - персональный компьютер.

Шина с первичным 2 , ^

током \

\ \

\

->

И

. I/

Регулируемый источник тока

"П

Рисунок Б.З - Структурная схема экспериментальной установки Измерения напряжений с резистивного датчика тока (4) и экранированного датчика тока (2) произведены при помощи аналого-цифрового преобразователя (USB). Осциллограммы напряжений приведены на рисунке Б.4.

шт. В

11с. В

0,2 0,18 0,16 0,14 0.12 0.1 0,08 0.06 0,04 0,02 0 -0,02 -0,04 -0,06 -0.08 -0,1 -0.12 -0.14 -0,16 -0,18

I — 1 лГТ*о :___________________

95/^*0,0015=4-

.........у =0,0 1.78 А'"

95 а'

А,01 в/

......... \

..............\

/ Г~71 ^ У

2 1,8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0,6 0.4 02 о -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1 -1,2 -1,4 -1.6 -1,8

Рисунок Б.4 - Осциллограммы напряжений: 1 - резистивного датчика тока; 2 - экранированного датчика тока с сердечником из аморфного железа

Вывод:

За счет применения аморфного железа вместо электротехнической стали при изготовлении сердечника экранированного датчика тока индуктируется сигнал, практически совпадающий по форме и фазе с первичным током шины. Полученные результаты позволяют говорить о возможности применение такого датчика тока с подобной конструкцией для бесконтактного измерения переменного тока с высокой точностью.

Б.2. ПРИМЕНЕНИЕ АМОРФНОГО ЖЕЛЕЗА ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСФОРМАТОРНОГО

ДАТЧИКА ТОКА

В электроэнергетике актуальной является проблема получения достоверных данных от измерительных приборов. Для увеличения точности измерительных приборов применяют современные материалы и новые высокоточные методы измерения.

Одним из методов улучшения электромагнитных характеристик и повышения точности трансформаторных датчиков тока является применение в качестве материала магнитопровода аморфного железа [45].

Аморфные сплавы - особый класс прецизионных сплавов, отличающихся структурой, способом изготовления и комплексом физических свойств [5]. Особенностью аморфных сплавов является большое (около 20 %) содержание таких элементов, как бор, углерод, фосфор и проч., необходимых для сохранения аморфной структуры. Наличие этих элементов снижает максимальные значения индукции насыщения в аморфных сплавах по сравнению с кристаллическими и увеличивает температурный коэффициент магнитных свойств. Эти же элементы увеличивают электросопротивление, повышают твёрдость и прочность аморфных сплавов, а также их коррозионную стойкость [57].

Магнитопроводы из аморфных и нанокристаллических сплавов имеют значительно меньшие удельные магнитные потери по сравнению с электротехнической сталью, пермаллоями и ферритами. Они обладают высокой начальной и максимальной относительной магнитной проницаемостью и индукцией насыщения на высоких частотах напряжения. Благодаря уникальным свойствам, аморфные сплавы получили широкое распространение в современной радиоэлектронной аппаратуре и электротехнических устройствах [105].

В таблице Б.1 приведены основные магнитные свойства материалов, применяемых при изготовлении магнитопроводов промышленных трансформаторов тока. Относительная магнитная проницаемость электротехнической стали, применяемой для изготовления магнитопроводов, находится в диапазоне от 250 до 4500 [39].

Таблица Б.1. Магнитные свойства материалов магнитопровода

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛ

Электротехническая сталь Аморфный

На основе Со На основе Fe

Индукция насыщения, В5 (Тл) 2,0 0,58 1,56

Начальная магнитная проницаемость, 250 60000 5000

Максимальная магнитная проницаемость, цтах 4500 Н 160000 50000

В программном комплексе ЕЬСИТ проведены исследования влияния материала магнитопровода трансформаторного датчика тока на электромагнитное поле системы «трансформаторный датчик тока - шина с током».

Конструкция трансформаторного датчика тока представляет собой систему, состоящую из магнитопровода, измерительной обмотки, короткозамкнутого кольца (материал кольца - медь) и первичной обмотки (шины) с измеряемым током (амплитудное значение тока 1т=63 А, начальная фаза ф=0°). Главное отличие конструкции трансформаторного датчика тока от конструкции промышленного трансформатора тока заключается в наличие электропроводящего неферромагнитного кольца, охватывающего магнитопровод [55].

На рисунке Б.5 приведена конструкция трансформаторного датчика тока.

Рисунок Б. 5 - Трансформаторный датчик тока: 1 - магнитопровод; 2 - шина с измеряемым током; 3 - короткозамкнутое кольцо (толщина короткозамкнутого кольца Ь составляла 1 мм и,- 2 мм)

Расположение сигнальной обмотки показано на рисунке Б.6.

Рисунок Б. 6 - Трансформаторный датчик тока: 1 - короткозамкнутое кольцо; 2 - сигнальная обмотка, располагается под короткозамкнутым кольцом (ис - напряжение сигнальной обмотки);

3 - магнитопровод (Ь=20 мм)

В условиях экранирующего действия короткозамкнутого кольца магнитная индукция в магнитопроводе рассматриваемого устройства во много раз меньше индукции насыщения магнитопровода. В связи с этим рассматриваемую задачу можно считать линейной. При решении задачи приняты следующие допущения:

- магнитопровод линейный;

- вихревые токи в ферромагнитном магнитопроводе принебрежимо малы;

- отсутствуют потери на гистерезис.

При расчете также не учитываются потоки рассеяния через торцевые поверхности, т. е. рассматриваемая задача сводится к двухмерной и для расчета электромагнитного поля может быть использован программный комплекс ELCUT [121].

На рисунке Б.7 приведена картина линий индукции магнитного поля системы «трансформаторный датчик тока - шина с током», магнитопровод изготовлен из электротехнической стали.

а) б)

Рисунок Б.7 - Картина линий индукции системы «трансформаторный датчик тока - шина с током», материал магнитопровода - электротехническая сталь (|!отн=1200), толщина короткозамкнутого кольца: а)1 мм; б) 2 мм

На рисунке Б.8 приведена картина линий индукции магнитного поля системы «трансформаторный датчик тока — шина с током», магнитопровод изготовлен из аморфного железа.

а) б)

Рисунок Б.8 - Картина линий индукции системы «трансформаторный датчик тока — шина с током», материал магнитопровода - аморфное железо, (¡дотн= 10000), толщина короткозамкнутого кольца: а)1 мм; б) 2 мм

В таблице Б.2 приведены результаты исследования влияния материала магнитопровода на электромагнитное поле системы. Комплексное амплитудное значение магнитного потока рассчитывается по формуле:

Фт=Ф V т т

5

где Фт - амплитудное значение магнитного потока; ф - начальная фаза магнитного потока.

Таблица Б.2. Магнитный поток в сечении 1 - 1 магнитопровода

Толщина короткозамкнутого кольца, мм Электротехническая сталь (относительная магнитная проницаемость |лотн=1200) Аморфное железо (относительная магнитная проницаемость цотн= 10000)

Фш, Ю"6 Вб Фт, 10"6 Вб Ф>°

1 17,556 98,68 17,869 90,86

2 8,861 93,95 8,935 90,02

По полученным амплитудным значениям магнитного потока в сечении магнитопровода 1 - 1 , расположенном под короткозамкнутым кольцом можно судить о преимуществах применения в качестве материала магнитопровода трансформаторного датчика тока аморфного железа.

Вывод

Преимущества применения в качестве материала магнитопровода трансформаторного датчика тока аморфного железа заключаются в сокращении расхода материала короткозамкнутого кольца и уменьшении сдвига фаз между первичным током в шине и напряжением сигнальной обмотки.

»

й работе енного рситета 'вцев А. В. 2013 г.

АКТ

о внедрении в учебный процесс результатов научно-исследовательской работы аспиранта Клименко Ксении Александровны, полученных при подготовке кандидатской диссертации по теме «Исследование электромагнитного поля трансформаторов с короткозамкнутыми витками»

Комиссия в составе председателя Мышлявцева А. В., заведующего кафедрой «Теоретическая и общая электротехника» Никитина К. И, д.т.н., профессора Птицыной Е. В., к.т.н., доцента Чугулева А. О. составила акт о том, что результаты диссертационной работы Клименко Ксении Александровны по теме «Исследование электромагнитного поля трансформаторов с короткозамкнутыми витками» внедрены в учебный процесс, а именно:

- трансформаторный датчик тока с короткозамкнутым кольцом используется при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Электротехника и электроника» для всех технических специальностей;

- результаты исследования электромагнитного поля трансформаторов в различных режимах работы при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Компьютерное моделирование электрических цепей, электромагнитного поля и тепловых полей» бакалаврами и магистрами по направлению 140400 - «Электроэнергетика и электротехника».

Все вышеперечисленные материалы разработаны аспирантом Клименко Ксенией Александровной.

(Заведующий кафедрой «Теоретическая и общая электротехника»

Профессор кафедры

«Теоретическая и общая электротехника» Доцент кафедры

«Теоретическая и общая электротехника»

■М,

К. И. Никитин

Е. В. Птицына

С^О^^'^/К. О. Чугулев

ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ

«ЭНЕРГОСЕРВИС»

Для предъявления по месту требования

Россия 644035 г Омск пр Губкина, 7, а/я 253 теп/факс [phone] е-гщ|| 1пГо@епезш ОГРН 1135543039455 ИНН 5501251815

№ <</92

На N°_от_

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Результатов диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата

технических наук Клименко Ксении Александровны на тему: «Исследование электромагнитного поля трансформаторов промышленной частоты с короткозамкнутыми витками»

Комиссия в составе главного инженера ООО «Энергосервис» г. Омск Шерстобитова Ю. В., начальника электротехнической службы Пархоменко С. Б., начальника отдела энергосбережения, энергоаудита и научно-исследовательской работы Николаева М. Ю., составила настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы «Исследование электромагнитного поля трансформаторов промышленной частоты с короткозамкнутыми витками» использованы при проведении диагностики трансформаторов на наличие короткозамкнутых витков обмоток.

Разработанный Клименко Ксенией Александровной способ диагностики трансформаторов на наличие короткозамкнутых витков позволяет:

1. С высокой степенью достоверности определить наличие короткозамкнутых витков в обмотках трансформаторов.

2. Разработанный способ диагностики не требует дорогостоящего диагностического оборудования и позволяет определить наличие и место