Понятие и причины возникновения 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.

Понятие намагничивающего тока

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:

ФТО = ФУ + ФСВ

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.

Тогда:

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..

Монтаж, подключение, опасные факторы

При пробое изоляции обмоток возникает возможность поражения током, но риск предотвращается заземлением вывода (обозначается на корпусе) вторички.

На выводы вторичной катушки И1 и И2 токи полярные, они обязательно постоянно подсоединены на нагрузку. Идущая по первичной цепи энергия со значительным потенциалом (S=UI). В другой происходит трансформация, и при обрыве в ней там падает напряжение. Потенциал разомкнутых концов при протекании энергии большой, что представляет значительную опасность.

По описанным выше причинам все вторичные цепи ТТ собирают особо тщательно и надежно, на них и кернах, выведенных из функционирования, всегда ставят шунтирующие закоротки.

Как подключается ТТ

Есть несколько схем для изделий защитного типа. Рассмотрим подключение ТТ на трехфазное напряжение.

Полная звезда:

• самая распространенная, защита одно- и многофазных систем от КЗ;
• три ТТ соединяются в звезду.

Если ток ниже настроек на реле КА1–КА3, то это нормальная ситуация, защита не активируется. Ток на К0 — это сумма всех 3 фаз. При возрастании величин в одной из них растет ток и в ТТ. Произойдет сработка реле при КЗ и при превышении нагрузок.

Неполная звезда:

• защита от межфазных замыканий для создания цепей с нейтралью с заземлением;
• для маломощных приемников с другими вариантами защиты.

Схема «треугольник и звезда» — для дифференциальной защиты.

Схема без обесточивания при КЗ на землю используется, но редко по этой же причине. Для защиты от замыканий между фазами и всплесков в одной из них.

ТТИ подсоединяются простым последовательным подключением первичных витков изделия.

Монтаж

Монтаж трансформаторов тока:

1. Ревизия устройства, проверка изоляции (должно быть выше 1 кОм на 1 В);
2. Отключают ЭУ;
3. Убедится в обесточивании, зафиксировать заземления.
4. Разметка, установка креплений. Запрещено размещать трансформатор вплотную к ЭУ (минимальный зазор — 10 см).
5. Выставляются таблички, ограждения.
6. Первичные витки подсоединяются последовательно, но с нагрузкой на вторичных. Если нет возможности подключить измеритель, то ее контакты замыкают, чтобы не было высоких мощностей на ней, которые приведут его повреждению.

ТТ не допускает холостого функционирования, его режим близок к КЗ: вторичные витки при подключении прибора к измеряемому току обязательно замыкаются. Иначе происходит перегревание, повреждающее изоляцию. Перед отсоединением измерителей сначала закорачивают катушки. У некоторых моделей для этого есть узлы клеммы, перемычки.

Расчет

Расчет трансформатора тока можно провести по онлайн-калькуляторам, подобрать по номиналу (например, для 10 кВ). Но это слишком упрощенные инструменты. Исчисления и параметры для выбора — чрезвычайно обширная тема, поэтому опишем основы.

Точность чрезвычайно важная, поэтому потребуются тщательные исчисления специалистами. Необходимо знать множество специфических нюансов, например:

• при разных схемах подсоединения, видах КЗ, есть разные формулы определения сопротивления;
• проверяют первичный ток на термо- и электродинамическую стойкость;
• есть свои нюансы для ТТ, для релейной защиты и для учетных целей, измерений.

Правила, как выбрать трансформатор тока в общих чертах:

• номинальное рабочее напряжение ТТ должно превышать или сравниваться с номиналом ЭУ (стандартные значения 0.66, 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 750 кВ). Если обслуживаемое оборудование имеет 10 кВ, то изделие должно быть рассчитано на этот показатель;
• первичный ток ТТ — больше номинального тока у ЭУ, но учитывая перегрузочную способность;
• оценивают ТТ по номинальной мощности вторичной нагрузки, которая должны превышать расчетное ее значение. (Sном>=Sнагр);
• оценивают размеры и расположение для установки, номинальные нагрузки (есть таблица), наработка до отказа, срок службы, класс точности.

Проверка после расчета

Правила:

• после расчета ТТ проверяют по загрузке при макс. и мин. значениях, протекающих через него нагрузок;
• по п. 1.5. 17 ПУЭ при макс. подключенной нагрузке ток во вторичной катушке — не менее 40 % номинала счетчика, при мин. — не менее 5 %;
• макс. загрузка должна быть от 40 %, а мин. — от 5 %, и в любом случае она не должна превышать 100 %, иначе возникнет перегрузка трансформатора;
• если рассчитанные величины макс./мин. загрузок меньше 40 % и 5 % соответственно, то надо подбирать изделие с меньшим номиналом, а если этого нельзя сделать по параметрам макс. нагрузки, надо предусмотреть монтаж двух счетчиков — для макс. и мин. нагрузки.

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.

Правильность осуществления измерения потерь

Замеры потерь осуществляются только при обязательном использовании установки, которая обладает большими показателями мощности. В это время разрешается использовать для проведения расчетов более низкое напряжение, подключение которого осуществляется к первичному контуру через такой измерительный аппарат, как ваттметр. Такой вид измерений называют прямым методом.

Если учитывать предоставленные показатели такого измерительного оборудования, как вольтметр или амперметр, будет необходимо дополнительно произвести умножение их мощностей один на другой. Этот метод имеет еще название косвенный

При получении результата по такой методике следует принять во внимание, что в результате возможно наличие некоторых погрешностей. Причина искажения заключается в том, что нет возможности учесть в полной мере коэффициент показателя мощности

При действии данного режима наблюдается образование между ними угла, который составляет девяносто градусов.

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.

Важность коэффициента трансформации, класса точности, погрешности

Коэффициент трансформации (КТ) — определяет пропорциональность преобразования, задается при проектировании ТТ, при выпуске обязательно проверяется. На схеме это К1, определяемый соотношением l1/l2 (двумя векторами).

Эффективность коэффициентов собранных изделий отображает класс точности. При реальном функционировании токовые величины не постоянные, поэтому коэффициент обозначают номинальным. Пример: 1000/5 — при 1 кА рабочего тока (первичного) во вторичной цепи действует нагрузка 5 А. Именно по описанным значениям и проводится расчет продолжительность эксплуатации этого трансформаторного тока.

Погрешность ТТ влияет на класс его точности и определяется сечением, уровнем проницаемости материала магнитопровода, величинами магнитного пути.

Возрастание сопротивления нагрузки во вторичной цепи, превышающее возможности ТТ (при этом там генерируется повышенное напряжение), провоцирует пробой изоляции — трансформатор выходит из строя, перегорает

Поэтому важно правильно подбирать данный параметр. Предельное сопротивление есть в справочных материалах

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:

1. Использование быстронасыщающихся трансформаторов.
2. Отстройка дифференциальной отсечки.

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

Режим холостого хода трансформатора

Холостым ходом (ХХ) называют такое подключение устройства, когда на первичную обмотку подается номинальное переменное напряжение, а цепи всех вторичных – разомкнуты (нагрузки не подключены).

В преобразователе напряжения, деление обмоток (катушек) на первичную и вторичные условно. Любая из них становится первичной, когда на нее поступает исходное переменное напряжение. Прочие, в них наводится ЭДС — становятся, соответственно, вторичными.

Опыт холостого хода проводится по схеме показанной на рисунке

Следовательно, любой трансформатор, соответственно способу подключения, может быть как понижающим, так и повышающим (кроме разделительного – с коэффициентом трансформации, равным единице).

Поскольку цепь вторичной катушки разъединена, тока в ней нет (I2 = 0). В первичной протекает I1, формирующий в магнитопроводе поток вектора магнитной индукции Ф1. Последний меняется по синусоидальному закону, но из-за перемагничивания стали отстает по фазе от I1 на угол B (угол потерь).

Применяют следующую терминологию:

• I1: ток ХХ трансформатора;
• Ф1: рабочий магнитный поток.

Под действием Ф1 во всех катушках возникает ЭДС:

• в первичной – самоиндукции (Е1);
• во вторичных – взаимоиндукции (Е2).

Зависимость ЭДС от различных параметров определяется формулами:

Е1 = 4,44 * f * W1 * Ф1max *10 -8 ,

Е2 = 4,44 * f * W2 * Ф1max * 10 -8 , где

W1 и W2 — число витков в обмотках;

Ф1max — величина магнитного потока в точке максимума.

Следовательно, числовое значение ЭДС находится в прямой зависимости от числа витков катушки. Из соотношения ЭДС в первичной и вторичной обмотках, определяют главный параметр аппарата— коэффициент трансформации (К): К = Е1 / Е2 = W1 / W2.

Вторичная катушка по сравнению с первичной содержит витков:

• в повышающем трансформаторе – больше (К меньше единицы);
• в понижающем – меньше (К больше единицы).

Помимо рабочего (основного), в установке образуется магнитный поток рассеяния Фр1. Это силовые линии, ответвляющиеся от рабочего магнитного потока Ф1 в сердечнике и замыкающиеся по воздуху вокруг витков катушек. Как и Ф1, Фр1 является переменным, а значит, он, согласно закону электромагнитной индукции, наводит в первичной обмотке ЭДС самоиндукции Ер1.

Е1 и Ер1 всегда направлены против приложенного к первичной обмотке напряжения U1. По характеру действия на ток, они подобны резистору, потому и обозначаются термином «индуктивное сопротивление» (Х).

Емкостное и индуктивное сопротивление

Следовательно, создавая I1, напряжение U1 преодолевает активное сопротивление R1 первичной катушки и обе ЭДС самоиндукции. Математически это выглядит так: U1 = I1 * R1 + (-Е1) + (-Ер1).

Запись выполнена в векторной форме, поэтому перед обозначениями ЭДС самоиндукции проставлены значки «-»: они говорят о противоположном направлении этих векторов относительно напряжения U1. Ток холостого хода I1 не является строго синусоидальным.

Он искажается, поскольку имеет в своем составе так называемую третью гармоническую составляющую (ТГС), обусловленную вихревыми токами, гистерезисом и магнитным насыщением магнитопровода. Но с определенной долей приближения, годной для практических расчетов, его можно заменить эквивалентным синусоидальным током с равноценным действующим значением.

Таблица потерь

Потребляемая активная мощность — это потери ХХ трансформатора. Часть ее тратится на нагрев провода обмотки (I1 2 * R1). Она незначительна, поскольку сопротивление R1 провода мизерно и ток ХХ также мал – 3-10% от номинального.

Основная доля расходуется на вихревые токи в магнитопроводе и его перемагничивание. Эти явления приводят к нагреву магнитопровода. Ф1, обуславливающий основную часть потерь холостого хода, не зависит от тока нагрузки. Следовательно, потери имеются постоянно и в любом режиме работы устройства, в том числе и в активном (нагрузочном).

Таблица потерь ХХ:

Со временем, потери увеличиваются из-за следующих изменений в магнитопроводе:

• меняется структура стали;
• падает сопротивление изоляции между пластинами;
• нарушается изоляция стяжек, что приводит к короткому замыканию между пластинами.

Проверка работы

С целью проверки устройства его включают в режиме ХХ и выполняют следующие измерения:

1. вольтметром замеряют напряжение, подаваемое на первичную катушку (U1);
2. другим вольтметром — напряжение U2 на выводах вторичной обмотки. Применяют прибор с сопротивлением, довольно высоким для того, чтобы ток во вторичной обмотке оставался равным нулю;
3. в цепь первичной навивки включают амперметр для определения силы тока холостого хода
4. сюда же включают ваттметр, измеряющий потребляемую мощность.

Сняв показания с приборов, производят вычисления:

1. определяют коэффициент трансформации: К = U1 / U2;
2. по специальным формулам рассчитывают потери ХХ.

Используя данные опыта ХХ в сочетании с данными опыта короткозамкнутого режима, определяют КПД устройства.

Как убрать фоновый шум микрофона на ноутбуке если активирован режим экономии электропитания

При активированном режиме экономии, звуковой карте не хватает питания. Поэтому появляются помехи. Что предпринять? Нажмите «Win+R», пропишите команду «control»:

Далее:

Нажмите ссылку «Создание схемы».

Выберите режим «Высокая производительность».

Назначение опыта короткого замыкания

Испытание на обрыв при отсутствии нагрузки выполняется для определения потерь в сердечнике без нагрузки по току.

Суть испытания заключается в том, что обмотка высокого напряжения остаётся разомкнутой в то время, как выходная обмотка подключается к обычной сети потребителя. Туда же подсоединяются и необходимые измерительные приборы – ваттметр, амперметр и вольтметр. В результате такого соединения, внешнее напряжение, которое прикладывается к устройству, медленно увеличивается от нуля до своего номинального значения.

Показания всех приборов фиксируются в момент, когда напряжение тестирования достигает необходимого значения в выходной цепи. Физическая сущность результатов замеров такова:

1. Амперметр показывает значение тока холостого хода, значение которого очень мало, и, следовательно, падением напряжения можно пренебречь.
2. Входная мощность указывается ваттметром. Но другая сторона трансформатора разомкнута, следовательно, выходная мощность отсутствует, а показатель на ваттметре складывается только из значений потерь мощности, обусловленных степенью насыщения материала сердечника, и потерь в проводах.
3. Вольтметр с высоким сопротивлением подключается через внешнюю обмотку устройства. Высоковольтная обмотка рассматривается как разомкнутая цепь, поскольку ток через вольтметр пренебрежимо мал.
4. Результаты тестирования отличаются высокой точностью вследствие малости значений тока холостого хода и отсутствия потерь в элементах электрической цепи. Поэтому показания ваттметра гарантированно определят суммарные потери в сердечнике.

Плюсы и минусы такого отопления

Пожалуй, только отзывы пользователей могут в полной мере раскрыть все достоинства и недостатки такого типа плинтуса, но я все же попытаюсь перечислить основные аспекты, которые требуют внимания. Среди неоспоримых преимуществ системы теплого плинтуса выступает необычный дизайн, так как он включает одновременно и функциональную, и эстетическую сторону. По желанию планки можно покрасить в любой цвет, что снимает любые ограничения в создании интерьерных решений.

В продолжение темы плюсов хочу сказать, что такой метод обогрева обеспечивает равномерный прогрев комнаты, что снижает до минимума возможность появления сырости и развития плесени. Также в воздух не поднимается активно пыль и не возникают сквозняки, и все это из-за «тепловой подушки». Особенно актуально это для квартир и домов, в которых живут маленькие дети. И еще один плюс, за который все так любят теплый плинтус Mr Tektum – это простота монтажа, так как с конструкцией может справиться даже человек, раньше никогда не державший в руках строительный инструмент.

Как и везде, в системе теплого пола есть и свои недостатки. К сожалению, простота процесса монтажа далеко не всегда представляет собой высокую эффективность эксплуатации. Именно поэтому все же стоит обратиться за консультацией к мастеру, который объяснит, как избежать нарушений равномерной теплоотдачи. Тема внешнего вида такого плинтуса поднимается довольно часто, так как в строительных магазинах представлены различные декоративные накладки для него. Их лучше не использовать, так как они влияют на процесс теплоотдачи.

Далее хочу рассказать вам о минусах конкретных разновидностей отопительной системы. Например, водяной теплый плинтус может быть использован только в четко установленном температурном режиме, как часть центральной отопительной магистрали. Если температура снизится, это приведет к поломке и разрушению оборудования. А вот электрический теплый плинтус требует слишком много электроэнергии, а в наше время это влечет за собой серьезные финансовые расходы. Именно поэтому данный тип прибора могут позволить себе далеко не все.

Методика расчёта напряжения, потерь и сопротивления КЗ

Расчёты ведутся в следующей последовательности:

1. Определяются оба компонента тока холостого хода:

Iμ = IsinΦ и Iw = IcosΦ.

1. Устанавливаются значения реактивного X и активного Rсопротивлений в эквивалентных цепях, которые относятся к низковольтной обмотке:

X = V1 / Iμ и R = V1 / Iw.

Здесь V1 – показания вольтметра на обмотке низкого напряжения.

1. Рассчитывается итоговое значение мощности:

W1 = 2IμR и W2 = 2IwХ

W = (W21 + W22)0,5

Объясняется это тем, что напряжение, приложенное для появления тока полной нагрузки, хоть и мало по сравнению с номинальным, но всё же присутствует на обмотках.

1. Определяется значение эквивалентного сопротивления Zeq трансформатора:

Zeq2 = R2 + X2.

Полученные данные соответствуют тем, которые относятся к стороне высокого напряжения трансформатора. Таким образом, в результате испытания на КЗ определяются потери в проводниках а, а также его приблизительные эквивалентное и реактивное сопротивление.

В результате анализа полученной информации можно определить зависимость потерь от тока холостого хода и напряжения на вторичной обмотке.