Понятие и причины возникновения тока намагничивания трансформатора

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..

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:

u = Um × sin ωt ,

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.

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:

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

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