Что такое магнитный поток вынужденного намагничивания трансформатора

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:

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.

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..

ТОКИ НАМАГНИЧИВАНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ ПОД НАПРЯЖЕНИЕ

а) Характер изменения токов намагничивания

При включении силовых трансформаторов под напряжение или при восстановлении на них напряжения после отключения внеш­него к. з. в обмотке, питающей трансформатор, возникает резкий бросок тока намагничивания, имеющий затухающий характер (рис. 16-25). Максимальное значение этого тока в несколько раз превосходит номинальный ток трансформатора.

Резкое возрастание тока намагничивания объясняется насы­щением магнитопровода трансформатора. При включении транс­форматора под напряжение оно появ­ляется на его обмотке внезапно. Ана­логичная картина имеет место на транс­форматоре после отключения к. з. при восстановлении напряжения (рис. 16-26).

Во время к. з. напряжение на трансформаторе понижается в пределе до нуля (точка А

на рис. 16-26, а). После отключения повреждения (точ­ка
Б)
происходит скачкообразное восстановление напряжения на зажимах трансформатора.

В обоих случаях магнитный поток в сердечнике трансформатора устанав­ливается не сразу. Возникает переходный процесс, сопровождающийся появлением двух потоков: установившегося Фу и свободного, постепенно затухающего Фсв (рис. 16-27). Результи­рующий поток Фт =ФУ + Фсв; в началь­ный момент (t = 0) Фто = 0 и поэтому Фсво = — Фуо. Во втором полупериоде знаки обоих потоков совпадают и результирую­щий поток трансформатора достигает мак­симума Фт.макс.

Установившийся поток Фу отстает от напряжения Uт на 90°, поэтому величина свободного потока ФСВо, а следовательно, и Фт. макс зависят от фазы UТ и достигают наибольшего значения при включении (трансформатора в момент прохождения
U
тчерез нуль. В этом случае без учета затуха­ния Фт.макс ≈2ФУ. Величина потока Фт. макc может достигать и больших зна­чений, если магнитопровод трансформатора имеет остаточное намагничивание и соответствующий ему поток Фост совпадает по знаку со свободным потоком Фсв. Тогда Фт. макс = (2ФУ + Фост) > 2ФУ.

При потоках, близких к 2ФУ, магнитопровод трансформатора насы­щается, что и обусловливает резкий рост (бросок) намагничивающего тока I

нам по времени характеризуется следующими особенностями:

1. Кривая тока носит асимметричный характер до тех пор, пока I

нам не достигнет установившегося значения.

2. Кривая может быть разложена на апериодическуюсоставляющую и синусоидальные токи различных гармоник. Апериодическая составляющая имеет весьма большое удельное значение в токе I

3. Время затухания токов определяется постоянными времени трансформатора и сети и может достигать 2—3 с. Чем мощнее трансформатор, тем дольше продолжается затухание.

4. Первоначальный бросок тока может достигать 5—10-кратного значения номинального тока трансформатора. Кратность броска тока на мощных трансформаторах меньше, чем на маломощных.

нам появляется только в одной обмотке силового трансформатора, той, на которую подается напряжение при его включении. Как видно из рис. 16-26, б, этот ток транс­формируется через трансформатор тока защиты и поступает в реле, вызывая его работу, если
I
нам>
I
с.з. Для предотвращения лож­ной работы дифференциальной защиты под действием
I
нам прини­маются специальные меры, рассмотренные ниже.

б) Способы предотвращения работы защиты от бросков тока намагничивания

Наиболее простым и ранее широко применявшимся является способ замедления защиты па время порядка 1 с. Однако при этом терялось наиболее ценное свойство защиты — ее быстродействие. Применялись и другие, более сложные способы отстройки от токов намагничивания с сохранением быстродействия (блокировки от понижения напряжения, торможение от токов высших гармоник и т. д.).

Опыт эксплуатации показал, что эти способы или себя не оп­равдали, или приводили к усложнению защиты и не давали достаточно надежной отстройки от намагничивающих токов. По­этому в Советском Союзе указанные способы не рекомендуются к применению.

На основании работ ВНИИЭ, ТЭП и опыта эксплуатации энергосистем в настоящее время в СССР приняты два способа отстройки от токов намагничивания.

Первый из них заключается в применении быстронасыщающихся трансформаторов (БНТ), через которые включаются диф­ференциальные реле [Л. 66, 67]. БНТ не пропускают апериоди­ческого тока, составляющего значительную часть тока намагничивания, и позволяют, таким образом, надежно отстроить диффе­ренциальные реле от намагничивающих токов.

Второй способ состоит в отстройке тока сбрасывания реле от тока намагничивания по величине. На таком принципе выпол­няется защита, называемая дифференциальной отсечкой.

Преимуществом обоих способов являются: простота, надеж­ность и сохранение основного достоинства дифференциальной за­щиты — быстроты действия.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

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.

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).

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 (

Источник

Понятие и причины возникновения тока намагничивания трансформатора

В энергосистеме при подключении силового трансформатора к напряжению, а также при восстановлении рабочих параметров цепи после отключения оборудования на режиме короткого замыкания в питающей устройство обмотке возникает резкий толчок. Это явление получило название тока намагничивания трансформатора. Он имеет затухающий характер, а его максимальная величина превышает номинальный параметр, что необходимо учитывать при проектировании схем защиты оборудования.

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 Ф_У и свободный Ф_СВ. Для определения общего значения используется формула:

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

Рис. 2. Магнитные потоки в сердечнике под нагрузкой

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

Сердечник насыщается при значениях потоков, приближенных к 2Ф_У, вызывая резкий бросок I_нам. 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 I_нам > I_с.з..

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 (

Источник