способ измерения индуктивности короткого замыкания трансформатора для дефектографирования состояния обмоток

Формула изобретения

Способ измерения индуктивности короткого замыкания трансформатора для дефектографирования состояния обмоток, при котором одну обмотку закорачивают, а к другой подсоединяют источник напряжения и производят регистрацию тока первичной обмотки, отличающийся тем, что в качестве упомянутого источника напряжения используют конденсатор, который предварительно заряжают постоянным напряжением от источника постоянного напряжения, подключают заряженный конденсатор к первичной обмотке и регистрируют переходный процесс затухающего периодического тока или напряжения, при этом определяют индуктивность короткого замыкания L_К по формуле



где = 3,14159:

f - частота затухающих колебаний, Гц;

C - емкость конденсатора, Ф;

r= r₁+r₂ ¹ - сопротивление короткого замыкания, Ом;

r₁ - сопротивление первичной обмотки, Ом;

r₂ ¹= r₂(w₁/w₂)², Ом;

r₂ - сопротивление вторичной обмотки;

w₁ и w₂ - числа витков первичной и вторичной обмоток.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, к трансформаторам, оно может быть использовано при дефектографировании состояния обмоток в эксплуатации, при испытаниях трансформаторов на электродинамическую стойкость при коротких замыканиях, как одно из особых средств предотвращения аварий трансформаторов в эксплуатации по причине недостаточной стойкости при коротких замыканиях.

Дефектографирование повреждений обмоток трансформаторов (деформаций потери радиальной устойчивости, деформаций витков под действием осевых и радиальных сил, потери запрессовки и т.д.), которые возникают в эксплуатации при аварийных коротких замыканиях (КЗ) и при испытаниях трансформаторов на электродинамическую стойкость при КЗ, проводится различными методами. Среди этих методов наиболее надежным, а значит, применяемым в первую очередь является метод выявления изменения индуктивности короткого замыкания, по которому можно судить о возникающих деформациях обмоток. Этот метод требует измерений индуктивности с достаточно большой точностью (порядка десятых долей процента).

Известен метод определения индуктивности КЗ для дефектографирования состояния обмоток трансформаторов, при котором вторичную обмотку закорачивают, а к первичной подсоединяют измерительный мост переменного тока [1]. Этот метод имеет ряд недостатков. Стационарные мосты переменного тока устроены таким образом, что измерения проводятся на фиксированных частотах, например, 100 Гц и 1000 Гц. Однако мощность генераторов, входящих в комплект моста, мала, поэтому, как правило, измерения на частоте 100 Гц проводить не удается, а измерения на частоте 1000 Гц неточны и нестабильны, т.к. при этой частоте заметное влияние на индуктивность КЗ оказывают процессы вытеснения тока, изменение температуры обмоток и т.д.

Известен также способ [2], который взят в качестве прототипа изобретения, при котором к закороченному трансформатору подключают источник переменного напряжения (регулировочный трансформатор, соединенный с сетью промышленной частоты или генератором переменного напряжения). По показаниям вольтметра, амперметра и ваттметра, пользуясь известной формулой, определяют индуктивное сопротивление КЗ и индуктивность КЗ. Этот способ имеет ряд недостатков: пониженная точность измерений, необходимость достаточно мощного источника питания, громоздких измерительных приборов большой точности. Во многих практических случаях оказывается и недостаточна точность измерений. Целью изобретения является устранение этих недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения индуктивности КЗ трансформатора для дефектографирования состояния обмоток, при котором одну обмотку (вторичную) закорачивают, а к другой (первичной) подсоединяют источник напряжения и производят регистрацию тока (или напряжения) первичной обмотки, в качестве источника напряжения используют конденсатор, который предварительно заряжают постоянным напряжением от маломощного источника (выпрямителя или аккумулятора), подключают заряженный конденсатор к первичной обмотке и регистрируют переходный процесс затухающего периодического тока или напряжения, при этом индуктивность короткого замыкания l_к определяют по формуле



где =3,14159,

f - частота затухающих колебаний, Гц;

С - емкость конденсатора, Ф;

r= r₁+r₂(w₁/w₂)² - электрическое сопротивление короткого замыкания трансформатора, Ом;

r₁ и r₂ - сопротивление первичной и вторичной обмоток, Ом;

w₁ и w₂ - числа витков первичной и вторичной обмоток.

Новым в предлагаемом способе является то, что для определения индуктивности КЗ анализируется переходный, а не установившийся режим, расчет индуктивности ведется по определяемой частоте этого процесса, а в качестве источника напряжения применяется конденсатор, предварительно заряженный от маломощного источника постоянного напряжения.

Предлагаемый способ поясняется фиг. 1-3, где на фиг.1 показана принципиальная электрическая схема измерений, на фиг.2 - расчетная схема замещения, на фиг. 3 - затухающие колебания напряжения и тока на закороченном трансформаторе.

Схема измерения индуктивности по этому способу работает следующим образом.

Трансформатор ТР, индуктивность КЗ которого L_к необходимо определить, закорачивается. Для этого используется закоротка КЗ, соединяющая вводы вторичной обмотки НН. От маломощного зарядного устройства ЗУ, имеющего внутреннее сопротивление источника r_и, заряжают конденсатор С до напряжения U₀. Для заряда конденсатора ключ К1 замыкают, а после окончания заряда размыкают. После окончания заряда замыкают ключ К2, соединяя заряженный конденсатор С с первичной обмоткой трансформатора ВН. Возникает переходный колебательный затухающий процесс, который удобно анализировать по схеме замещения, в которой трансформатор ТР представлен индуктивностью КЗ L_к и сопротивлениями обмоток ВН r₁ и НН r₂. Напряжение u(t) на обмотке ВН (или конденсаторе С) или ток цепи i₁(t) (напряжение на шунте r_ш) фиксируется осциллографом или аналого-цифровым преобразователем вычислительного устройства (компьютера).

Определяют частоту колебаний, например, следующим образом. По осциллограмме напряжения u(t) или тока i(t) находят отрезок времени между двумя прохождениями через нуль кривой затухающей синусоиды t₁₂ = t₂-t₁, где 1 и 2 - точки на оси времени t фиг.3. Подсчитывают число полупериодов n в этом интервале времени (на фиг.3 n₁₂=6). Расчетный интервал времени t может быть взят также и между максимумами (например, на фиг.3 между точками 3 и 4 T₃₄ = t₄-t₃, число полупериодов n₃₄=7), как правило, первый вариант дает более точные результаты, т.к. при переходе через нуль кривая имеет максимальный наклон, в то время как положение максимума менее четкое. По величинам t и n определяется частота



Определение частоты возможно и другими методами, например путем математической обработки компьютером цифровой записи затухающего процесса (например, как основную частоту спектра).

Индуктивность КЗ трансформатора рассчитывают по формуле



где приближенную формулу применяют для трансформаторов большой мощности (примерно более 100 кВА), т.к. поправка m мала по сравнению с единицей:



где Q - добротность индуктивности КЗ, Q = L_к/r, для силовых трансформаторов Q2 при мощности 100 кВА, Q10-20 при 10 МВА и Q50-100 при мощности более 100 МВА.

Следует заметить, что для определения частоты можно измерять как ток, так и напряжение, все зависит от удобства измерений.

При осуществлении предлагаемого способа емкость конденсатора С принципиально может быть выбрана любой. Для оптимального выбора применительно к силовым трансформаторам емкость конденсатора С необходимо выбрать таким образом, чтобы частота затухающих колебаний f была близка к промышленной частоте f₀=50 Гц:

f=kf₀, k=0,5-3,0,



где u_p% - реактивная составляющая напряжения КЗ трансформатора,

S_н и U_н - номинальные мощность и напряжение.

Условие выбора частоты f возникает из-за того, что при очень низких частотах f (k<0,5) емкость С оказывается большой, а колебания имеют сильное затухание (постоянная времени = 22fL/r). При больших частотах f(k>3) в проводниках оказываются заметными процессы вытеснения тока (из-за вихревых токов в проводниках, находящихся в магнитном поле рассеяния обмоток). Так как эти процессы зависят от удельного сопротивления материала проводников, которое в свою очередь зависит от температуры обмоток, возникает зависимость индуктивности КЗ от температуры, снижающая точность метода. Кроме того, при частоте f, близкой к номинальной частоте fo, сопротивление обмоток г, необходимое для поправки m, может быть определено по паспортным данным трансформатора, в которых есть значение потерь КЗ.

С учетом условия для выбора частоты f величина емкости С для силовых трансформаторов во всем диапазоне изменения мощности от 100 кВА до 1000 МВА и напряжений обмоток от 6 кВ до 1150 кВ находится в приемлемом диапазоне 2-2000 мкФ.

Напряжение U₀ заряда конденсатора может быть выбрано 10-200 В, что удобно для измерений и безопасно для персонала. Мощность источника (выпрямителя, аккумулятора) может быть выбрана 2-50 Вт. Даже при очень малой мощности источника постоянная времени заряда (т.е. длительность заряда) составляет доли секунд или секунды, и это время никак не влияет на точность и удобства проведения измерений.

Преимуществом предлагаемого метода по сравнению с известными является то, что этот метод основан на измерении интервалов времени или частоты, а, как известно, средства измерения интервалов времени и частоты в настоящее время развиты очень сильно. В известных методах необходимо измерять ток, напряжение, потери; такие измерения (а при точности измерений L_к в 0,1% измерения тока, напряжения, потерь требует точности на том же уровне) имеют достаточно большие погрешности. Важно отметить и то, что определять можно достаточно большие интервалы времени t (десятки, сотни миллисекунд, доли секунды), что можно сделать с малой относительной погрешностью. Все измерения могут быть автоматизированы с применением современной контрольно-измерительной и вычислительной техники. Это очень большое преимущество, т.к. измерение индуктивности КЗ используется при дефектографировании состояния обмоток в эксплуатации и при испытаниях на стойкость при КЗ, когда достоинством аппаратуры является компактность и простота при высоких параметрах точности и удобства пользования.

В настоящее время проделаны эксперименты на нескольких трансформаторах, показавшие принципиальную работоспособность метода, высокую точность определения индуктивности КЗ и возможность использования метода для целей дефектографирования. Начата разработка опытного образца установки, реализующей предложенный метод.

Источники информации

1. С. В. Аликин, А.А. Дробышевский, Е.И. Левицкая, М.А. Филатова. Диагностика обмоток силовых трансформаторов методом низковольтных импульсов // Электротехника. 1991. 12.

2. ГОСТ 3484.1-88. Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний, с. 14-21 (прототип).