Бросок тока намагничивания трансформатора при включении причины

Обновлено: 04.05.2024

Бросок тока намагничивания (БТН)

В каком случаи при включении трансформатора под напряжение возникнет БТН, а в каком БТН не будет возникать?

2 Ответ от High_Voltage 2015-04-28 17:46:51

varvar09 пишет:

В каком случаи при включении трансформатора под напряжение возникнет БНТ, а в каком БНТ не будет возникать?

Наибольший бросок тока будет если включение тр-ра будет в момент перехода напряжения через ноль, наименьший соответственно при максимальном значении напряжения

3 Ответ от flash74 2015-04-28 18:32:32

Everything should be made as simple as possible, but not simpler.

4 Ответ от doro 2015-04-28 19:09:35

Коллеги, я опускаюсь до уровня "чайника". Но что здесь обзывается "БНТ"?

5 Ответ от varvar09 2015-04-28 19:19:16

doro пишет:

Коллеги, я опускаюсь до уровня "чайника". Но что здесь обзывается "БНТ"?

Бросок намагничивающего тока

6 Ответ от Волшебник 2015-04-28 19:20:51

doro пишет:

см. название темы

7 Ответ от doro 2015-04-28 19:36:15 (2015-04-28 19:37:43 отредактировано doro)

Ладно, более менее понятно. Но что этот термин обозначает в применении к РЗА? Апериодическая составляющая тока и методы отстройки от нее более-менее понятны. А вот как это будет сочетаться с термином БТН (или БНТ)? Апериодическая составляющая и БТН - это синонимы, связанные между собой или независимые понятия?

8 Ответ от doro 2015-04-28 20:24:19 (2015-04-28 20:29:22 отредактировано doro)

Просвещайте меня дальше. Как понимать:

varvar09 пишет:

В каком случаи при включении трансформатора под напряжение возникнет БНТ, а в каком БНТ не будет возникать?

Это что - быстронасыщающийся трансформатор возникает и исчезает?
Меня, собственно, эта фраза и привела в ступор.
БТН (бросок тока намагничивания) было бы понятнее.

9 Ответ от nkulesh 2015-04-29 01:52:48 (2015-04-29 01:54:25 отредактировано nkulesh)

В своё время меня поразило, как долго не затухает бросок тока намагничивания трансформатора, который мы впервые ставили под напряжения после наладки. При включении трансорматора со стороны ВН (110 кВ, ТЭЦ-16) он отключился от МТЗ ШСВ. Дело было поздним воскресным ночером, ввиду закрытия метро опыты прекратили и разъехались спать. В понедельник всё стало поворачиваться так, что трансформатор неисправен (ну, это не наше дело, монтировали его люди с Электрозавода), и - защита (ЭКРА) трансформатора неисправна тоже, т.к не сработала. А вот это уже наша, наладчиков территория. Скачали осциллограммы с терминала защиты, и оказалось, что все эти секунды (3-4 с, не помню точно) выдержки времени действия МТЗ ток был совершенно несинусоидальным, очевидный ток намагничивания, но затухающий необычно долго. К концу процесса несинусоидальность ушла, но защита (МТЗ) доработала, там на секции ещё нагрузка была. Мы тогда сошлись на том, что последним, что делали испытатели, была проверка сопротивления обмоток постоянному току, при этом они намагнитили сердечник трансформатора постоянным током. Защита трансформатора не работала по понятной причине, определив этот ток как ток намагничивания. Осциллограммы заказчика не убедили, (все мы в Москве - "молдаване", понятно) да и для них главное было "погудеть", финансовый год заканчивался . Осциллограммы какое-то время отдельно хранил, потом потерял, конечно, почти 10 лет прошло. Ну так, в памяти отложилось - после наладки трансформатора при проведении опыта КЗ или включении трансформатора толчком под напряжение ток намагничивания может не затухать не сотню-другую миллисекунд, а "толстые" секунды (несколько секунд). Может быть, у кого-то из коллег есть подобный опыт?
Кстати (или некстати?), хочу обратить внимание, что реле с БНТ (быстронасыщающимся трансформатором тока) типа РНТ, ДЗТ свою отстройку от броска тока намагничивания трансформатора, как и вообще отстройку от апериодической слагающей тока КЗ, всё это время, пока апериодическая слагающая не затухнет, просто не трансформируют ток в исполнительное реле, таким образом, защита имеет ощутимую задержку при срабатывании даже (внимание!) при КЗ в зоне защиты. Это к священной войне "остроконечников и тупоконечников", или "что лучше - РЗ на базе цифровых или электромеханических реле". Это, конечно, совсем другая история. Так, вдруг пригодится.

10 Ответ от Conspirator 2015-04-29 11:15:21

nkulesh пишет:

таким образом, защита имеет ощутимую задержку при срабатывании даже (внимание!) при КЗ в зоне защиты. Это к священной войне "остроконечников и тупоконечников", или "что лучше - РЗ на базе цифровых или электромеханических реле".

Эта же проблема стоит и в МП-реле. Поскольку бросок тока намагничивания разный по фазам, вводят так называемую "перекрестную" блокировку (при обнаружении БТН в одной фазе - блокируется ДЗТ в других фазах, где бросок тока может быть не обнаружен и защита не заблокируется по содержанию 2-й гармоники, что может привести к ложному отключению в этой фазе из-за достаточно чувствительных уставок). Всегда стоит вопрос: на сколько ее (перекрестную блокировку) вводить. У Сименс задается в числе периодов. Уставка по умолчанию -3 периода (60мс). Есть примеры ложных отключений, когда этой длительности было недостаточно и после снятия блокировки трансформатор отключался ложно. Слишком большая уставка приведет к блокировке основной защиты (ДЗТ) при возникновении внутреннего КЗ, что достаточно вероятно, например, при включении после ремонта.

11 Ответ от Bach 2015-04-29 14:34:03

Conspirator пишет:

где бросок тока может быть не обнаружен и защита не заблокируется по содержанию 2-й гармоники, что может привести к ложному отключению в этой фазе из-за достаточно чувствительных уставок

В Siprotec 5 наряду с блокировкой по 2-гармонике возможно использование критерия по анализу формы кривой тока.

12 Ответ от beyond 2015-04-29 15:20:42

Искал в интернете, искал в литературе, но так и не нашел ответа на вопрос "почему вторая гармоника преобладает при броске?". Подскажите физику?

13 Ответ от Bach 2015-04-29 15:33:27

beyond пишет:

почему вторая гармоника преобладает при броске?". Подскажите физику?

14 Ответ от SSS 2016-02-07 12:07:07 (2016-02-07 12:08:03 отредактировано SSS)

nkulesh пишет:

В своё время меня поразило, как долго не затухает бросок тока намагничивания трансформатора, который мы впервые ставили под напряжения после наладки. При включении трансорматора со стороны ВН (110 кВ, ТЭЦ-16) он отключился от МТЗ ШСВ. Дело было поздним воскресным ночером, ввиду закрытия метро опыты прекратили и разъехались спать. В понедельник всё стало поворачиваться так, что трансформатор неисправен (ну, это не наше дело, монтировали его люди с Электрозавода), и - защита (ЭКРА) трансформатора неисправна тоже, т.к не сработала. А вот это уже наша, наладчиков территория. Скачали осциллограммы с терминала защиты, и оказалось, что все эти секунды (3-4 с, не помню точно) выдержки времени действия МТЗ ток был совершенно несинусоидальным, очевидный ток намагничивания, но затухающий необычно долго. К концу процесса несинусоидальность ушла, но защита (МТЗ) доработала, там на секции ещё нагрузка была. Мы тогда сошлись на том, что последним, что делали испытатели, была проверка сопротивления обмоток постоянному току, при этом они намагнитили сердечник трансформатора постоянным током. Защита трансформатора не работала по понятной причине, определив этот ток как ток намагничивания. Осциллограммы заказчика не убедили, (все мы в Москве - "молдаване", понятно) да и для них главное было "погудеть", финансовый год заканчивался . Осциллограммы какое-то время отдельно хранил, потом потерял, конечно, почти 10 лет прошло. Ну так, в памяти отложилось - после наладки трансформатора при проведении опыта КЗ или включении трансформатора толчком под напряжение ток намагничивания может не затухать не сотню-другую миллисекунд, а "толстые" секунды (несколько секунд). Может быть, у кого-то из коллег есть подобный опыт?
Кстати (или некстати?), хочу обратить внимание, что реле с БНТ (быстронасыщающимся трансформатором тока) типа РНТ, ДЗТ свою отстройку от броска тока намагничивания трансформатора, как и вообще отстройку от апериодической слагающей тока КЗ, всё это время, пока апериодическая слагающая не затухнет, просто не трансформируют ток в исполнительное реле, таким образом, защита имеет ощутимую задержку при срабатывании даже (внимание!) при КЗ в зоне защиты. Это к священной войне "остроконечников и тупоконечников", или "что лучше - РЗ на базе цифровых или электромеханических реле". Это, конечно, совсем другая история. Так, вдруг пригодится.

Про ТЭЦ 16 (трансформатор Т5) и БТН. На днях поймали режим с долгим затуханием тока БНТ (> 5 с). Осциллограммы прилагаю. Может кому пригодятся для анализа.
Диф. защита среагировала мгновенно и заблокировалась по току второй гармоники.

Post's attachments

drec_2016_01_26_04_46_54_7.cfg 1.56 Кб, 98 скачиваний с 2016-02-07

drec_2016_01_26_04_46_54_7.dat 1.32 Мб, 91 скачиваний с 2016-02-07

drec_2016_01_26_04_46_58_8.cfg 1.56 Кб, 70 скачиваний с 2016-02-07

drec_2016_01_26_04_46_58_8.dat 543.61 Кб, 77 скачиваний с 2016-02-07

Бросок тока намагничивания трансформатора

Бросок тока намагничивания трансформатора - это кратковременный ток намагничивания трансформатора, превышающий номинальный ток нагрузки, возникающий при включении трансформатора (автотрансформатора) под напряжение или при его восстановлении. При этом, бросок тока намагничивания раз от раза может отличаться на одном и том же трансформаторе, так как имеет значение вектор и величина напряжения, подаваемая на обмотку трансформатора при включении коммутационного аппарата.

Содержание

Причины возникновения броска тока намагничивания

Причиной возникновения БНТ в силовых трансформаторах является резкое изменение уровня напряжения намагничивания. Хотя обычно возникновение БНТ связывают с включением трансформатора под напряжение, он также может быть обусловлен:

Возникновением внешнего КЗ,
Восстановлением уровня напряжения после отключения внешнего КЗ,
Переходом КЗ из одного вида в другой (к примеру, переход однофазного КЗ в двухфазное КЗ на землю),
Несинхронным подключением генератора к системе.

Поскольку ветвь намагничивания схемы замещения трансформатора, может быть представлена как шунт при его насыщении, ток намагничивания нарушает баланс между токами на выводах трансформатора. Дифференциальная защита воспринимает ток БНТ как дифференциальный, однако должна устойчиво функционировать в таком случае. Отключение трансформатора при БНТ является нежелательным с точки зрения условий обеспечения длительного срока службы трансформатора (отключение тока индуктивного характера вызывает высокие перенапряжения, что может представлять угрозу для трансформатора и быть косвенной причиной возникновения внутреннего КЗ).

Описание процесса

Намагничивание трансформатора изза включения его под напряжение считается самым неблагоприятным случаем, вызывающим БНТ наибольшей амплитуды. Когда производится отключение трансформатора, напряжение намагничивания оказывается равным нулю, ток намагничивания снижается до нуля, в то время как магнитная индукция изменяется согласно характеристике намагничивания сердечника. Указанное обуславливает наличие остаточной индукции в сердечнике. Когда, по истечении некоторого времени, производится повторное включение трансформатора под напряжение, изменяющееся по синусоидальному закону, магнитная индукция начинает изменяться по тому же закону, однако со смещением на значение остаточной индукции. Остаточная индукция может составлять 80–90% номинальной индукции, и, таким образом, точка может переместиться за излом характеристики намагничивания, что, в свою очередь, обуславливает большую амплитуду и искажение формы кривой тока.

На рисунке представлена характерная форма БНТ. Данная осциллограмма отображает наличие длительно затухающей апериодической составляющей, может быть охарактеризована содержанием различных гармоник и большой амплитудой тока в начальный момент времени (до 30 раз превышающей значение номинального тока трансформатора). Кривая значительным образом затухает через десятые секунды, однако полное затухание характерно через несколько секунд. При определенных обстоятельствах БНТ затухает лишь спустя минуты после включения трансформатора под напряжение.

Понятие и причины возникновения тока намагничивания трансформатора

Внезапное возрастание, то есть бросок тока намагничивания (БТН), объясняется насыщением сердечника магнитной индукцией. Трансформаторы динамически устойчивы к броскам благодаря изготовлению обмоток с учетом больших по кратности токов, как правило, возникающих при замыканиях накоротко. В среднем намагничивающий ток превышает номинальное значение прибора в 6-8 раз.

Рис. 1. Условия появления БТН

В режиме короткого замыкания напряжение силового агрегата характеризуется предельным понижением до нуля, а после отключения зоны повреждения устанавливается на зажимах устройства скачкообразно.

Восстановление магнитного потока происходит неравномерно и не сразу, что обуславливает возникновение переходного процесса, в течение которого образуются два потока – установившийся ФУ и свободный ФСВ. Для определения общего значения используется формула:

В точке отсчета, характеризующей начальный момент времени при t = 0, ФТО также приравнивается к нулю, поэтому справедливым представляется равенство ФСВ = – ФУ. Знаки полярности магнитных потоков совпадают во втором полупериоде, и, соответственно, результирующая величина достигает пикового максимума (ФТмакс).

Рис. 2. Магнитные потоки в сердечнике под нагрузкой

Схематически наблюдается отставание ФУ от UТ на 90 градусов, что говорит о зависимости ФСВ и ФТмакс от фазы напряжения. Данные величины достигают наибольших значений при включении – в момент прохождения UТ через ноль. Если не брать во внимание постепенное затухание, ФТмакс ≈ 2ФУ. Но пиковая величина потока может быть и выше, когда в толще сердечника присутствует остаточное намагничивание Фост, по знаку совпадающее с ФСВ.

ФТмакс = (2ФУ + Фост)> 2ФУ

Сердечник насыщается при значениях потоков, приближенных к 2ФУ, вызывая резкий бросок Iнам. Ток намагничивания образуется только в той обмотке цепи, на которую подается напряжение при включении. Он преобразуется через защитное устройство и поступает на реле, заставляя его срабатывать при соблюдении неравенства Iнам > Iс.з..

Намагничивание трансформатора

Зависимость Ф и I0р из-за насыщения сердечника имеет нелинейный характер. Поэтому при синусоидальном изменении одной величины другая будет изменяться несинусоидально.

1 Однородный трансформатор. Подключен на синусоидальное напряжение. Магнитный поток пропорционален напряжения и тоже будет синусоидальным. Форма тока намагничивания I0р определяется графически.

В первом квадрате изображена зависимость между мгновенными значениями магнитного потока и намагничивающей составляющей тока холостого хода Ф = f (iop) — эта зависимость носит название магнитной характеристики. Во втором квадрате — синусоидальная кривая Ф = f (t), где t — время. Если для отдельных моментов времени значения Ф по кривой Ф = f (t) снести па кривую Ф = f (iop). а затем полученные при этом значения для тех же моментов времени перенести вниз, то получим форму кривой тока iop = f (t)- полученная кривая несинусоидальная, она имеет заостренный характер. Если функцию iop= f (t) разложил, в гармонический ряд, он будет содержать только нечетные гармоники (1, 3 5 …). Наиболее проявляется третья гармоника амплитуда которой в трансформаторах составляет до 50% амплитуды первой. Амплитудо гармоник зависит отнасыщения сердечника: чем сильнее насыщение, тем большую амплитуду имеют высшие гармоники.

Кроме первой ток I0р содержит высшие гармоники:

Активная составляющая тока XX ioaявляется синусоидальной. Результирующая кривая i0 будет иметь некоторую несимметрично относительно вертикали.

2 Трехфазные трансформаторы

Проявление высших гармоник в намагничивающей составляющей тока I0p и магнитном потоке трехфазных трансформаторов зависит от схем соединения первичной и вторичной обмоток.

Случай 1 Обе обмотки соединены в звезду. Линейные напряжения синусоидальные. Токи первой гармоники сдвинуты по фазе на угол 120°, токи третий гармоники сдвинуты на угол 3-120° = 360°, т.е. они для всех фаз будут совпадать и уравновешивать друг друга. Поэтому в намагничивающем токе не будет гармоник, кратных 3, 5 и 7 гармоники очень малы, поэтому ток I0р близок к синусоидальному. При такой форме I0р кривая потока будет иметь несинусоидальную форму. Гармоники составляющие потока наведу в обмотках трансформатора ЭДС, сдвинутые от соответствующего потока на угол π/2. Форма результирующей ЭДС искажена. Наводимые ЭДС пропорциональны потоку и частоте. Частота третий гармоники в три раза больше частоты первой гармоники. Поэтому отношение амплитуд будет в три раза больше, чем отношение амплитуд потоков.

Поэтому возрастание ЭДС может быть значительным, что приведет к повышению напряженности электрического поля в изоляции. При этом отношение

Соединение Y/Y в трехфазных трансформа горах не изменяется

Случай 2 Первоначальная обмотка соединена в треугольник, вторичная в звезду. Каждая фаза первичной обмотки подключена к синусоидальному напряжению сети. Следовательно потоки фаз тоже будут синусоидальными, а намагничивающие составляющие тока фаз будут содержать нечетные высшие гармоники. Так как третьи гармоники токов во всех фазах имеют одинаковое напряжение, то они будут циркулировать внутри треугольника. В намагничивающей составляющей линейного тока третьи гармоники содержаться не будут, так как при вычитании взаимно уничтожаются. (Iл = Iфа — Iаб)

Случай 3 Первичная обмотка соединена в звезду, вторичная в треугольник. В намагничивающем токе не будет третьих гармоник и он будет синусоидальным.

Третьи гармоники потока во всех фазах по амплитуде и совпадают по фазе. Они будут наводить во вторичных обмотках три равные по величине и совпадающие по фазе ЭДС Е2(3). Складываясь в контуре треугольника, эти ЭДС создают в этом контуре ток I2(3)

Токи третий гармоники во вторичной обмотки трансформатора

Ток I2(3) имеет утроенную частоту L отстает от ЕДС Е2(3) на угол л/2, так как индуктивные сопротивления обмоток значительно больше, чем их активные сопротивления. Ток I2(3) образует поток Ф , который направлен на встречу потоку Ф3 и почти полностью его компенсирует (смотри рисунок)

Поэтому при таком соединении обмоток магнитный поток будет синусоидальным.

При соединении одной из обмоток трансформатора по схеме Ун (выведен нулев. тока), также образуется контур для замыкания токов третий гармоники. Эти токи протекают в линейных проводах и 2/3 нагрузки или емкости линии замыкаются 2/3 нулевой провод. В нулевом проводе будут протекать токи третий гармоники всех трех фаз. Проходя по линии, эти токи могут создавать эл. мг. Помехи в соседних линиях проводной связи. Сопротивления нагрузки и

емкости, включенные в контур, уменьшают ток третий гармоник и ослабляют его влияние.

При намагничивании трансформатора, когда он включен и сеть, то при его работе наблюдается шум (гудят). Причиной этого является изменение размеров стальных листов и магнитопровода в целом при намагничивании в переменном магнитном потоке — эго явление носит название магнитрострикцикл. (Основная частота магнитострикционного шума равна удвоенной частоте намагничивания).

При соединении одной из обмоток трансформации по схеме Ун также образуется контур для замыкания тока третий гармоники через нулевой провод.

Почему происходит бросок при включении

Кратковременный скачок характеризуется броском намагничивающего тока трансформатора (БТН). Его значения на одном и том же приборе могут отличаться по величине при разных включениях. Причиной образования БТН в силовых устройствах является внезапное изменение уровня напряжения намагничивания. Помимо нагрузки, передаваемой на обмотку, скачок может быть вызван и другими причинами:

внешнее короткое замыкание (КЗ);
восстановление напряжения в контуре;
преобразование КЗ;
несинхронное подключение генератора.

Ток намагничивания вносит дисбаланс на выводах трансформатора. Защита прибора воспринимает БТН как дифференциальный ток. Но чтобы она корректно выполняла свое назначение, система должна эффективно функционировать и отстраиваться с учетом БТН путем включения в цепь таких вспомогательных устройств, как промежуточные трансформаторы.

Чтобы скачки не повлияли на эксплуатационный ресурс службы агрегата, нежелательно допускать отключение трансформатора в результате бросков.

При включении обмотки на полную нагрузку вследствие асинхронного распределения мощности и переходных волновых процессов возникает высокое перенапряжение, способное вызвать внутреннее короткое замыкание.

Важно! Перенапряжения по причине БТН являются безопасными только при правильной организации дифференциальной защиты системы.

Как происходит процесс

При подаче нагрузки намагничивание прибора из-за включения рассматривается как негативное явление, способное спровоцировать БТН максимальной амплитуды. При отключении ток намагничивания сокращается до нулевой отметки, а магнитная индукция корректируется в зависимости от степени намагничивания стального сердечника, в результате чего в магнитопроводе сохраняется остаточная индукция.

Если через время повторить включение токопреобразующего устройства под напряжение, подчиненное синусоидальному закону изменения, магнитная индукция меняется со смещением остаточной величины до 90% от номинального значения. В результате возникает высокая амплитуда намагничивания и изменение формы кривой.

Рис. 3. Кривая БНТ классического типа

Уровень намагничивающего тока затухает на десятые доли секунды, но полное «сглаживание» кривой наступает в течение нескольких секунд, а при определенных условиях – через несколько минут. Длительность затухания апериодической составляющей осциллограммы БТН обусловлена высокой амплитудой тока в начальный (нулевой) момент времени и содержанием разных гармоник. Пиковая величина зависит от нагрузочного напряжения и его параметров, а также от значения и полярности остаточного магнитного потока в сердечнике.

Пик тока может быть выше номинального значения для высокомощных агрегатов в 10-15 раз, а для приборов мощностью (<50 кВА) – больше в 20-25 раз. Период затухания – от нескольких миллисекунд до секунд.

Однофазный трансформатор

При холостом ходе трансформатора для первичного напряжения действительно уравнение

то есть напряжение u расходуется на падение напряжения r × i и уравновешивание электродвижущей силы (э. д. с.)

Если пренебречь незначительным падением напряжения r × i, то

Поэтому, если напряжение синусоидально:

то поток Ф также должен изменяться по синусоидальному закону:

Ф = Фm × sin (ωt – π/2) .

Пренебрежем сначала также потерями в стали. Тогда потребляемый из сети ток холостого хода i = i0 является чисто реактивным намагничивающим током (i = i0r).

Поток Ф создается током i0r. Так как при наличии насыщения пропорциональность между Ф и i0r нарушается, то при синусоидальном потоке Ф ток i0r уже не будет синусоидальным.

На рисунке 1 в правом квадранте представлена кривая Ф = f(i0r) при наличии насыщения, а в левом квадранте – синусоидальная кривая Ф = f(t), где t – время. В нижнем квадранте этого рисунка изображена кривая i0r = f(t), которую можно получить, как показано на рисунке, если значения Ф по кривой Ф = f(t) для отдельных моментов времени 1, 2, 3 и так далее снести на кривую Ф = f(i0r) и получаемые при этом значения i0r снести вниз и отложить для этих же моментов времени. Отрицательная полуволна кривой i0r = f(t) будет иметь такую же форму, как и положительная. Такая несинусоидальная кривая i0r = f(t) (рисунок 2) содержит все нечетные гармоники (v = 1, 3, 5…), из которых наряду с первой, или основной (v = 1), наиболее сильной будет третья гармоника. Для стали марки 15… и максимальной индукции 1,4 Т третья гармоника составляет около 30%, а пятая – около 15% от основной.

Рисунок 2. Гармоники намагничивающего тока однофазного трансформатора

Кроме реактивной составляющей i0r, ток холостого хода i0 содержит также относительно малую активную составляющую i0a, которая синусоидальна и вызвана магнитными потерями в магнитопроводе (рисунок 2). Полный намагничивающий ток i0 = i0a + i0r имеет несимметричную форму.

Способы блокировки на вторичной обмотке

Исключить ложные срабатывания на БТН можно несколькими способами. Опытным путем проверена эффективность метода замедления защиты (недостаток – потеря быстродействия), торможения, блокировки, которые не дали хороших результатов. Наиболее рациональными способами отстройки от токов намагничивания являются:

Использование быстронасыщающихся трансформаторов.
Отстройка дифференциальной отсечки.

Методы на практике доказали свою эффективность, отличаются высокой надежностью, простотой и сохранением важнейшего параметра защиты – быстродействия.

Понятие и причины возникновения тока намагничивания трансформатора

Рис. 1. Условия появления БТН

Рис. 2. Магнитные потоки в сердечнике под нагрузкой

ФТмакс = (2ФУ + Фост)> 2ФУ

Броски тока намагничивания (БТН) трансформатора, признаки их, способы отстройки от них.

Признаки БТН:

1) Однополярность апериодических бросков. Признак однополярности броска – появляется только в первом периоде.

3) Наличие второй гармоники в БТН.

Отстройка защиты от броска тока намагничивания достигается тремя путями:

1) Загрублением защиты по току срабатывания.

2) Включением реле через промежуточные насыщающиеся трансф-ры тока.

3) Выявлением различия между формой кривой тока КЗ и формой кривой тока намагничивания.

Защита трансформаторов от сверхтоков, обусловленных внешними КЗ

Защита Т и АТ от сверхтоков является резервной, предназначенной для отключения их от источников питания как при повреждениях самих Т (АТ) и отказе основных защит, так и при повреждениях смежного оборудования и отказах его защиты или выключателей. При отсутствии специальной защиты шин защита Т (АТ) от сверхтоков осуществляет также защиту этих шин.

В качестве защиты от сверхтоков при междуфазных КЗ используются максимальная токовая защита. Максимальная токовая защита с пуском от напряжения, максимальная направленная защита, максимальная токовая защита обратной последовательности. При этом защита устанавливается со стороны источника питания, а при нескольких источниках питания — со стороны главных источников. Для защиты при однофазных КЗ используются максимальная токовая защита и максимальная направленная защита нулевой последовательности. Защита устанавливается со стороны обмоток, соединенных в схему звезды с заземленной нулевой точкой.

Максимальная токовая защита (МТЗ) двухобмоточного понижающего трансформатора. На Т с односторонним питанием (рис. 26) устанавливается один комплект защиты, со стороны источника питания, действующий на отключение всех выключателей.

Рис. 26. Однолинейная схема защиты понижающего трансформатора

На трехобмоточном Т с односторонним питанием устанавливаются два комплекта защиты: один со стороны обмотки НН действует на отключение выключателя этой обмотки; другой со стороны обмотки ВН действует с двумя выдержками времени, с меньшей — на отключение выключателя обмотки СН, с большей — на отключение всех выключателей Т. Аналогично выполняется защита понижающих ДТ при отсутствии питания со стороны обмотки СН.

Ток срабатывания МТЗ находится из условия возврата токовых реле при максимальной нагрузке.

Выдержка времени выбирается из условий селективности на ступень выше наибольшей выдержки времени РЗ присоединений, питающихся от трансформатора.

Токовая защита нулевой последовательности реагирует на ток, появляющийся в Т при внешних одно- и двухфазных КЗ на землю и КЗ в трансформаторе. Защита применяется на повышающих Т (АТ) и устанавливается со стороны обмоток ВН и СН, если последние соединены по схеме звезды и работают с глухозаземленной нулевой точкой.

Почему происходит бросок при включении

внешнее короткое замыкание (КЗ);
восстановление напряжения в контуре;
преобразование КЗ;
несинхронное подключение генератора.

Чтобы скачки не повлияли на эксплуатационный ресурс службы агрегата, нежелательно допускать отключение трансформатора в результате бросков.

Переходные процессы при включении и при внезапном коротком замыкании трансформаторов

При переходе трансформатора из одного установившегося режима в другой возникают переходные процессы. Так как каждый установившийся режим характеризуется определенным значением энергии электромагнитных полей, то в течение переходного процесса происходит изменение энергии этих полей. Наибольший практический интерес представляют переходные процессы при включении трансформатора и коротком замыкании на зажимах вторичной обмотки.

Включение трансформатора в сеть. В этом случае результирующий магнитный поток можно рассматривать как сумму трех составляющих:

Ф = Фуст+Фпер±Фост (4.1)

где Фуст — магнитный поток установившийся; Фпев — магнитный поток переходного процесса; Фост — магнитный поток остаточного магнетизма, направленный либо согласно с установившимся потоком (знак «+»), либо встречно ему (знак «-»).

Магнитный поток переходного процесса затухающий и постоянен по направлению.

Рис. 4.1. Графики перехода процессов при включении трансформатора (а) и определение тока включения трансформа по кривой намагничивания (б)

Наиболее благоприятный случай включения трансформатора в сеть будет при потоке остаточного магнетизма, направленном встречно установившемуся потоку, и мгновенном значении первичного напряжения u1 = 0. При этом магнитный поток установившийся Фуст будет максимальным, так как он отстает по фазе от напряжения на угол приблизительно 90° (рис. 4.1, а).

Магнитный поток Ф становится наибольшим приблизительно через половину периода после включения трансформатора. Если магнитопровод трансформатора не насыщен, то в момент включения трансформатора в первичной обмотке появится намагничивающий ток, пропорциональный магнитному потоку. Если же магнитопровод трансформатора насыщен, то при включении трансформатора намагничивающий ток включения достигает значительной силы, называемой
сверхтоком холостого хода
. Из построений, сделанных на кривой намагничивания (рис. 4.1, б), видно, что при магнитном потоке, превышающем в два раза установившееся значение Ф = 2Фуст, сверхток холостого хода достигает силы, во много раз превышающей установившееся значение тока х.х. (I1вкл>>I0). При наиболее неблагоприятных условиях сверхток х.х. может в 6—8 раз превысить номинальное значение первичного тока.

Так как длительность переходного процесса невелика и не превышает нескольких периодов переменного тока, то ток включения для трансформатора не опасен. Однако его следует учитывать при регулировке аппаратуры защиты, чтобы в момент включения трансформатора не произошло его неправильного отключения от сети. Бросок тока включения следует также учитывать при наличии в цепи первичной обмотки трансформатора чувствительных измерительных приборов. Во избежание поломки этих приборов нужно до включения трансформатора в сеть шунтировать их токовые обмотки.

Внезапное короткое замыкание на зажимах вторичной обмотки трансформатора.Оно возникает из-за различных неисправностей: механического повреждения изоляции или ее электрического пробоя при перенапряжениях, ошибочных действиях обслуживающего персонала и др. Короткое замыкание — это аварийный режим который может привести к разрушению трансформатора.

При внезапном коротком замыкании на зажимах вторичной обмотки в трансформаторе возникает переходный процесс, сопровождаемый возникновением большого мгновенного тока к.з. i

к. Этот ток можно рассматривать как результирующий двух токов установившегося тока
i
к.уст и тока переходного процесса
i
к.пер, постоянного по направлению, но убывающего по экспоненциальному закону.

Наиболее неблагоприятные условия к.з. могут быть в момент когда мгновенное значение первичного напряжения равно нулю(u1 = 0). На рис. 4.2 построена кривая тока к.з, i

к для этого условия. Ток внезапного к.з. (ударный ток) может достигать двойного значения установившегося тока к.з. и в 20—40 раз превышать номинальное значение тока.

Рис. 4.2. Графики переходных процессов при внезапном к.з.

Переходный процесс при внезапном к.з. у трансформаторов малой мощности длится не более одного периода, а у трансформаторов большой мощности — 6—7 периодов. Затем трансформатор переходит в режим установившегося к.з., при этом в обмотках протекают токи i

к.уст, значения которых хотя и меньше тока
i
к при переходном процессе, но все же во много раз превышают номинальное значение тока. Через несколько секунд срабатывают защитные устройства, отключающие трансформатор от сети. Но несмотря на кратковременность процесса к.з., он представляет собой значительную опасность для обмоток трансформатора: во-первых, чрезмерно большой ток к.з. резко повышает температуру обмотки, что может повредить ее изоляцию; во-вторых, резко увеличиваются электромагнитные силы в обмотках трансформатора.

Значение удельной электромагнитной силы, действующей на витки обмоток, определяют произведением магнитной индукции поля рассеяния В

sна ток
i
в витке обмотки:

удельная электромагнитная сила, Н/м.

Но с увеличением тока растет также и индукция поля рассеяния, поэтому сила растет пропорционально квадрату тока (F = i2

). Так, если в витке ток
i
= 100 А и индукция
В
s= 0,1 Тл, то
F =
0,1×100 = 10 Н/м. Такая сила не вызывает заметных деформаций витков обмотки. Но если при внезапном к.з. бросок тока достигнет значения
i
к, превышающего номинальный ток в 30 раз, то электромагнитная сила возрастет в 900 раз и станет равной 9000 Н/м. Такая сила может вызвать значительные механические разрушения в трансформаторе (рис. 4.3). Все это необходимо учитывать при проектировании трансформаторов и создавать достаточно прочные конструкции обмоток и надежное их крепление на сердечниках.

Рис. 4.3. Разрушение обмоток трансформатора при к.з.

Как происходит процесс

Рис. 3. Кривая БНТ классического типа

Объявления

В своё время меня поразило, как долго не затухает бросок тока намагничивания трансформатора, который мы впервые ставили под напряжения после наладки. При включении трансорматора со стороны ВН (110 кВ, ТЭЦ-16) он отключился от МТЗ ШСВ. Дело было поздним воскресным ночером, ввиду закрытия метро опыты прекратили и разъехались спать. В понедельник всё стало поворачиваться так, что трансформатор неисправен (ну, это не наше дело, монтировали его люди с Электрозавода), и — защита (ЭКРА) трансформатора неисправна тоже, т.к не сработала. А вот это уже наша, наладчиков территория. Скачали осциллограммы с терминала защиты, и оказалось, что все эти секунды (3-4 с, не помню точно) выдержки времени действия МТЗ ток был совершенно несинусоидальным, очевидный ток намагничивания, но затухающий необычно долго. К концу процесса несинусоидальность ушла, но защита (МТЗ) доработала, там на секции ещё нагрузка была. Мы тогда сошлись на том, что последним, что делали испытатели, была проверка сопротивления обмоток постоянному току, при этом они намагнитили сердечник трансформатора постоянным током. Защита трансформатора не работала по понятной причине, определив этот ток как ток намагничивания. Осциллограммы заказчика не убедили, (все мы в Москве — «молдаване», понятно) да и для них главное было «погудеть», финансовый год заканчивался … Осциллограммы какое-то время отдельно хранил, потом потерял, конечно, почти 10 лет прошло. Ну так, в памяти отложилось — после наладки трансформатора при проведении опыта КЗ или включении трансформатора толчком под напряжение ток намагничивания может не затухать не сотню-другую миллисекунд, а «толстые» секунды (несколько секунд). Может быть, у кого-то из коллег есть подобный опыт? Кстати (или некстати?), хочу обратить внимание, что реле с БНТ (быстронасыщающимся трансформатором тока) типа РНТ, ДЗТ свою отстройку от броска тока намагничивания трансформатора, как и вообще отстройку от апериодической слагающей тока КЗ, всё это время, пока апериодическая слагающая не затухнет, просто не трансформируют ток в исполнительное реле, таким образом, защита имеет ощутимую задержку при срабатывании даже (внимание!) при КЗ в зоне защиты. Это к священной войне «остроконечников и тупоконечников», или «что лучше — РЗ на базе цифровых или электромеханических реле». Это, конечно, совсем другая история. Так, вдруг пригодится.

Способы блокировки на вторичной обмотке

Использование быстронасыщающихся трансформаторов.
Отстройка дифференциальной отсечки.

Читайте также: