CC BY
83
ISSN 1992-6502 (P ri nt)_
2014. Т. 18, № 3 (64). С. 112-116
Ъыьмт QjrAQnQj
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.314.22.08
Возможность использования трехфазного ленточного магнитопровода
для антирезонансного трансформатора напряжения
1 2 л. э. Рогинская , д. в. гусаков
2§и$акоу^еп@таИ.ги
ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 9 ноября 2013 г.
Аннотация. Проведено экспериментальное исследование трехфазного ленточного магнитопровода, получены зависимости изменения тока и напряжения во времени, а также спектр гармоник напряжения. Проведен сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных. Выявлена возможность использования трехфазного ленточного магнитопровода для антирезонансного трансформатора напряжения.
Ключевые слова: антирезонансный трансформатор напряжения; феррорезонансные явления; ленточный магни-топровод.
Введение. Витой ленточный магнитопровод для трехфазных трансформаторов характеризуется меньшей массой по сравнению с пластинчатым магнитопроводом, меньшими габаритными размерами при той же мощности, более высоким КПД. При изготовлении трехфазных трансформаторов с использованием витого ленточного магнитопровода уменьшается расход провода, снижается трудоемкость при намотке и сборке трансформатора. Но данный магнитопровод характеризуется также электромагнитными особенностями, необходимыми для применения в антирезонансном трансформаторе напряжения.
Трансформаторы напряжения используются в энергосистемах на всех уровнях напряжений и работают в качестве измерительных преобразователей, передают информацию о напряжении в сети системам защиты и измерений. Работа трансформаторов напряжения во время аварийных режимов может приводить к возникновению феррорезонанса. Феррорезонанс в свою очередь приводит к неправильной работе трансформатора напряжения.
В качестве одной из основных мер по борьбе с феррорезонансными явлениями является использование антирезонансных трансформаторов напряжения (ТН). Антирезонансным называют электромагнитный заземляемый ТН, устойчиво работающий при наличии непрекращающихся феррорезонансных явлений и не вызывающий их [1].
Постановка цели исследования. Для обеспечения антирезонансных свойств у ТН 6-10 кВ применяются несколько способов:
• добавление в схему активных гасительных сопротивлений;
• повышение потокосцепления насыщения путем снижения номинальной индукции;
• изменение схемы соединения обмоток трехфазных ТН и т. д. [2].
Однако все эти способы приводят к повышению погрешности измерений трансформаторов напряжений. Одним из способов достижения антирезонансных свойств у трансформаторов напряжения является применение трехфазного трехстержневого ленточного магнитопро-вода [3] (рис. 1).
Методика экспериментальных и теоретических исследований. Как видим, обмотки трансформатора выполняются на двух стержнях, в то же время поток каждого стержня создается МДС двух первичных обмоток. В качестве потоков нулевой последовательности в насыщающихся трансформаторах можно рассмотреть их третьи гармоники, сдвинутые по фазе на 360°. Тогда потокосцепления рабочих обмоток будут синусоидальными, синусоидальными будут и выходные напряжения. При наличии токов нулевой последовательности в первичных обмотках данного трансформатора следует ожидать их отсутствия в выходных напряжениях.
Рис. 1. Конструкция антирезонансного трансформатора напряжения
Индуктивное сопротивление нулевой последовательности будет равняться нулю, что приведет к отсутствию феррорезонанса. Для определения соотношений между нулевыми последовательностями напряжений на рабочих и измерительной обмотках было проведено экспериментальное исследование витого трехстерж-невого трансформатора со следующими параметрами (рис. 2):
1) обмотки: первичные - 80 витков, вторичные - 20 витков, на одном стержне - 10;
2) провод: ПЭВ-2, S = 1*10"6 м2.
Схемы эксперимента приведены на рис. 3. Для измерений параметров трансформатора использовался цифровой осциллограф (Fluke 124).
Рис. 2. Габаритные размеры трансформатора
Рис. 3. Схема экспериментального исследования: 1 - автотрансформатор; а - измерение входного тока и напряжения; б - измерение входного тока и выходного напряжения на одном стержне; в - измерение входного тока и выходного напряжения на двух стержнях
б
в
Результаты и их обсуждения. На рис. 4 представлены зависимости первичных напряжений (нижний график) и выходного напряжения (верхний график) от времени. Зависимости выходного напряжения (верхний график) от времени (фазы А, В, С) имеют синусоидальную форму, откуда видно, что выходное фазное напряжение нулевой последовательности равно нулю.
и, в
14.4 4;4
об и, Б 44 -6 -56 -106
и, Б 144 44 -5.6 и, Б 44 -б -55 -106
и, Б 144 4.4
-5.6 и, Б 44 -б -56 -106
\
г \
\ 1 у /
V j \л..
_
10 а
\
/\ / \
\ 1
л
V /
___
ю б
\
/ \
___
10 в
Рис. 4. Экспериментальные зависимости первичного напряжения и выходного напряжения фазных обмоток: а - фаза А (верхний график - первичное напряжение, нижний график - выходное напряжение); б - фаза В (верхний график -первичное напряжение, нижний график - выходное напряжение); в - фаза С (верхний график -первичное напряжение, нижний график -выходное напряжение)
иА = 31,4 В, иа = 7,78В - подаваемое напряжение и вторичное напряжение фазы А;
ив = 30,9 В, иъ = 7,67 В - подаваемое напряжение и вторичное напряжение фазы В;
ис =31,3 В, ис = 7,59 В - подаваемое напряжение и вторичное напряжение фазы С; ^изм = 2,47 В, ив = 31,5 В - напряжение
на измерительной обмотке и фазное первичное напряжение.
На рис. 5 приведены осциллограммы напряжений на измерительной обмотке и фазные напряжения. Как видим, в первом случае выходное напряжение имеет заостренную форму, а во втором - практически синусоидальную.
Рис. 5. Осциллограммы напряжений на измерительной обмотке и фазные напряжения
На рис. 6 даны гармонические составляющие напряжений, приведенных на рис. 5.
100 ■ 90
20 10 [I
100 . 90 I
30 I 70
№ I
50% I 4-0 I
I
50 149,5 249,6 349,5 449,3 549,2 649,0 748,9 848,7 948,6 1048?4 1148,31248Л Частота, Гц 1 Вход В ?
л у
50 150,4 250,6 350,9 451,1 551,4 651,6 751,9 852,1 952,4 1052,6 1152,9 Частота, Гц
В результате эксперимента были определены следующие значения напряжений трансформатора:
Рис. 6. Гармонические составляющие напряжений на измерительной обмотке и фазных напряжений
Рассмотрим соотношения между фазными напряжениями и потоками в стержнях: потоки
прямой последовательности в стержнях (I, III;
%
II, I; III, II) сдвинуты на угол —.
Величины индукции в каждом стержне равны между собой:
В1=В11=ВШ=ВА. (1)
Суммарная индукция в фазе А может быть определена по формуле:
B„
ил
4,44 х f x^xVaxS,
(2)
где S - суммарное сечение двух стержней.
Напряжения в фазах определим следующим образом:
и,
w,
UB=W1
r —Ф —Ф,,, л dt dt —Фп —Ф Л
и^
w,
dt dt ) —Фш dOn
dt dt
iR1 + LS ;
dt
d2 dt
~i,R, + L —
31 S dt
hRi +Ls~T;
Приближенно
U
U1msinrot - U3msin3rot:
(3)
(4)
(5)
(6)
где иизм - мгновенное напряжение на измерительной обмотке; и1т - напряжение по первой гармонике; иЗт - напряжение по третьей гармо-
нике.
Амплитуда напряжения в измерительной обмотке (рис. 3, б) составила 4,64 В, значит
и1т+и3т = 4,64 В. (6)
Как видно из рис. 4
Um =43,6% от иш или U3m= 0,436U1m.
(7)
(8)
Тогда
иы+ 0,43бит = 4,64 В. В результате расчетов были определены следующие значения напряжений:
иы= 3,23 В, и3т= 1,41 В.
Исходя из закона электромагнитной индукции [4], найдем ф - поток в стержне I:
U,
ф1 =-
4,44xfXWИзM
Поток в стержне I: Ф1 =0,001 Вб . Так как суммарный поток
(9)
Фх = л/3 х ф:,
(10)
то ф =1,73 мВб .
Отсюда находим вторичное напряжение фазы b
Ub= 4,44xfxw2x ф . (11)
В результате расчетов определено, что Ub = 7,69 В, что совпадает с экспериментальными данными (рис. 4, б).
Выводы. Анализ экспериментальных исследований показал, что данная конструкция магнитопровода трансформатора дает возможность предотвращения феррорезонанса: магнитные потоки нулевой последовательности компенсируются благодаря встречному направлению, сопротивление нулевой последовательности близко к нулю и феррорезонанс будет отсутствовать. Конструкция обладает следующими достоинствами: повышенная надежность и уменьшенные массогабаритные показатели трансформатора, отсутствие дополнительных сопротивлений и потерь в стали, отсутствие конструкционной стали. А также уменьшается погрешность, связанная с явлением феррорезо-нанса. Форма кривой напряжения на измерительной и выходной обмотке различаются. На измерительной обмотке присутствуют высшие гармоники, на выходной - нет. Исходя из результатов эксперимента, выходное напряжение нулевой последовательности не содержит.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 1983-2001. Межгосударственный стандарт. Трансформаторы напряжения. Общие технические условия. [ GOST 1983-2001. Interstate standard. The voltage transformers. General specifications. ]
2. Зихерман М. Х. Антирезонансные тирансформато-ры напряжения // Новости электротехники. 2011. № 2 (68). C. 68-71. [ M. H. Ziherman, "Antiresonance voltage transformers," News of electrical engineering, no. 2 (68) 2011. ]
3. Патент РФ № 131231 U1, H01F30/12, 16.01.2013. [ RF Patent no. 131231 U1, H01F30/12, 16.01.2013. ]
4. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. М.: Гардарики, 2006. 701 с. [ L. A. Bessonov, Theory of Electrical Engineering. Moscow: Gardariki, 2006. ]
ОБ АВТОРАХ
РОГИНСКАЯ Любовь Эммануиловна, проф. каф. электромеханики. Дипл. инж.-электромех. (Горьковск. политехн. ин-т, 1959). Д-р техн. наук по полупроводн. преобр. электроэнергии (МЭИ, 1994). Иссл. в обл. полупроводн. преобр. комплексов.
ГУСАКОВ Денис Валерьевич, асп. той же каф. Дипл. инж.-электроэнергетик (УГАТУ, 2011). Иссл. в обл. измер. трансформ. напряжения.
METADATA
Title: Possibility of using of a three phase strip magnetic circuit for the antiresonance voltage transformer.
Authors: L. E. Roginskaya and D. V. Gusakov.
Affiliation: Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia.
Email: gusakov.den@mail.ru
Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 18, no. 3 (64), pp. 112-116, 2014. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print).
Abstract: An experimental research of the three-phase magnetic ribbon, received his addiction. A comparative analysis of experimental and theoretical data. Found the possibility of using magnetic ribbon for three-phase antiresonant voltage transformer.
Key words: antiresonant voltage transformer; ferroresonance phenomena; magnetic ribbon.
About authors:
ROGINSKAYA, Lubov' Emmanuilovna, prof. Dept. of Electromechanics.. Dipl. electromechanical engineer. (Gorkovsk. Polytechnic. Institute, 1959). Dr. of Tech. Sci. (MEI, 1994).
GUSAKOV, Denis Valer'evich, Postgrad. (PhD) Student, Dept. of electromechanical. Dipl. electrisity engineer (UGATU, 2011).
