Устройство для измерения магнитного поля рассеяния трансформатора
Изобретения относится к электротехнике, в частности к силовым трансформаторам. Сущность изобретения: устройство для измерения магнитного поля рассеяния трансформатора содержит две одинаковые основные измерительные катушки, установленные одна вверху, а другая внизу снаружи обмотки трансформатора с совмещением торцевых частей катушек с торцами обмотки трансформатора, причем длина измерительных катушек составляет половину высоты обмотки трансформатора, на торцевой части каждой катушки установлена и механически закреплена на одном корпусе с основной катушкой дополнительная корректирующая узкая прямоугольная катушка, при этом ось дополнительной корректирующей катушки совпадает с торцевой частью основной катушки, измерительные катушки выполнены плоскими, прямоугольными, причем оба корпуса измерительных катушек закреплены на обмотке трансформатора с возможностью их раздельного ограниченного перемещения вдоль высоты обмотки, что позволяет увеличить точность измерений магнитного поля при одновременном упрощении изменений и монтажа устройства на трансформаторах различного типа. 5 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовым трансформаторам.
Возникающие при аварийных коротких замыканиях электродинамические силы создают опасность разрушения обмоток силовых трансформаторов. Эти электродинамические силы в большой мере зависят от взаимного расположения обмоток трансформатора, сильно возрастая при несимметричном их расположении, смещениях из-за неточности сборки, отклонений размеров от расчетных и других конструктивных и технологических неточностей. Контроль несимметрии обмоток необходим при испытаниях трансформаторов на стойкость при КЗ и в производстве. Известны устройства для дефектографирования состояния обмоток трансформаторов, основанные на том, что на вводы обмотки подаются электрические импульсные сигналы, реакция на которые регистрируется электронным осциллографом и обрабатывается компьютерами [1 и 2] Недостатком этих устройств является их сложность и неоднозначность расшифровки данных подобного дефектографирования, т.е. невозможность определения конкретных изменений размеров обмоток и их взаимного расположения. Для точного определения взаимного расположения обмоток и их несимметрии используются устройства для измерения магнитного поля рассеяния. Известны устройства для измерения магнитного поля рассеяния трансформаторов [3 и 4] выполненные в виде измерительных катушек на каркасах, подключаемых к регистрирующему устройству. Недостаток этих устройств заключается в сложности их применения из-за того, что катушки располагаются на передвижных каркасах, требующих специальных механических перемещающих механизмов, относительно сложных непрерывных регистрирующих приборов (осциллографов с фотообработкой и т.д.). Наиболее близким к предлагаемому является устройство [5] в котором имеются неподвижные объемные измерительные катушки, намотанные концентрически снаружи внешней обмотки трансформатора по две на каждую обмотку, причем длина измерительной катушки составляет половину длины обмотки. Основные недостатким прототипа: невозможность быстрого ее монтажа и демонтажа на трансформаторе в производственных условиях или переноса от одного трансформатора к другому (фактически ее можно применять лишь на специальных моделях в лабораторных условиях); измерительные катушки имеют сложную объемную форму и должны изготавливаться индивидуально для каждой обмотки трансформатора; измеряется средний магнитный поток по всему периметру обмотки, при этом невозможно определить магнитный поток (и электродинамические силы) на различных образующих обмотки; малая точность измерения магнитного потока из-за невозможности контроля установки катушек на торце обмотки, так как торец обмотки трансформатора (крайний виток обмотки), как правило, визуально недоступен из-за наличия на торцах обмотки изоляционных деталей и замотки внешней поверхности обмотки бандажом. Целью изобретения является увеличение точности измерений магнитного поля при одновременном упрощении измерений и монтажа предложенного устройства на трансформаторах различных типов. Цель достигается тем, что в устройстве для измерения магнитного рассеяния трансформатора, содержащем две одинаковые основные измерительные катушки, установленные одна вверху, а другая внизу снаружи обмотки трансформатора с совмещением торцевых частей катушек с торцами обмотки трансформатора, причем длина измерительных катушек составляет половину высоты обмотки трансформатора, на торцевой части каждой катушки установлена и механически закреплена на одном корпусе с основной катушкой дополнительная корректирующая узкая прямоугольная катушка, при этом ось дополнительной корректирующей катушки совпадает с торцевой частью основной катушки, измерительные катушки выполнены плоскими, прямоугольными, причем оба корпуса измерительных катушек закреплены на обмотке трансформатора с возможностью их разделительного ограниченного перемещения вдоль высоты обмотки. Сущность предложенного технического решения заключается в том, что измерительные катушки выполняются плоскими, относительно небольшой ширины (а не объемными, как в прототипе), чем достигается возможность измерения магнитного поля на различных образующих обмотки и удобство их установки и перемонтажа на обмотках других типов и размеров, а также увеличивается точность измерения магнитного потока основными измерительными катушками за счет введения дополнительных корректирующих катушек, жестко связанных с основными, позволяющих при ограниченном перемещении корпусов катушек вдоль обмотки точно устанавливать торец измерительной катушки напротив торца обмотки трансформатора. На фиг. 1 представлен схематический трансформатор с установленным на нем устройством; на фиг. 2 два корпуса с измерительными катушками; на фиг. 3 - торцевая часть основной измерительной катушки с дополнительной корректирующей катушкой; на фиг. 4 и 5 сечение обмоток трансформатора с магнитным полем для двух случаев, когда обмотки расположены симметрично и несимметрично. На трансформаторе, имеющем сердечник 1, внутренние обмотки 2 и наружные обмотки 3, установлены измерительные катушки в корпусах 4 и 5. В верхнем корпусе 4 имеется основная измерительная катушка 6 и дополнительная корректирующая катушка 7, в нижнем корпусе 5 основная катушка 8 и дополнительная 9. Основные измерительные катушки 6 и 8 выполнены плоскими, прямоугольными, вытянутыми вдоль оси обмотки. Длина катушек l равна половине высоты обмотки hо/2, где hо высота обмотки от меди до меди, т.е. электромагнитная высота, а не конструктивная, которая, как правило, больше ho из-за наличия концевой изоляции на торцах обмотки. В предлагаемом устройстве измерительные катушки универсальны, т.е. применимы для нескольких типов трансформаторов с различной высотой обмоток. Как показано на фиг. 4 и 5, особенность магнитного поля рассеяния трансформаторов такова, что для целей индикации несимметрии обмоток, которая может возникнуть, например, в результате действия электродинамических сил при испытаниях на стойкость при КЗ, требование l 0,5 hо можно рассматривать как приближенное: l0,5hо или l0,5hо+0,1hо. Ширина этих катушек b приближенно равна ширине корпусов 4 и 5. Для того чтобы измерять магнитное поле на различных образующих периметра обмотки и для универсальности, ширина b должна быть не очень большой, например не более 0,05-0,2 от периметра наружной обмотки трансформатора 3. Дополнительные корректирующие измерительные катушки 7 и 9 расположены на корпусах 4 и 5 в торцевых частях. Они измеряют магнитную индукцию, поэтому их ширина bд должна быть достаточно малой, например не более 0,25 0,05 hо. Длина lд этих катушек в целях увеличения чувствительности должна быть равной ширине основной измерительной катушки b (ширине корпуса 4 или 5). Вышеуказанные соотношения размеров измерительных катушек и дополнительных корректирующих измерительных катушек отсутствуют в прототипе. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Корпуса 4 и 5 с измерительными катушками устанавливаются на наружной обмотке трансформатора и закрепляются бандажами 10. Возможно их закрепление струбцинами или стойками с зажимами. На трансформаторе осуществляют опыт короткого замыкания при пониженном токе, для чего одну его обмотку (например, внутреннюю 2 низкого напряжения) закорачивают, а другую (наружную 3 высокого напряжения) подсоединяют к источнику питания. При этом в области обмоток возникает магнитное поле, создаваемое токами обмотки. Силовые линии 11 этого поля, графики 12 и 13 распределения радиальной составляющей магнитной индукции Bx(y) вдоль высоты обмотки, графики 14 и 15, распределения осевых сил P(y), пропорциональных магнитному потоку x(y) и интегралу кривой Bx(y), показаны на фиг. 4 и 5. Видно, что для кривых индукций характерны острые максимумы 16 около торца обмотки трансформатора, что и используется в предложенном устройстве для точной установки основных измерительных катушек относительно обмотки трансформатора. Производится измерение напряжения на выводах одной корректирующей катушки 7 (при помощи милливольтметра переменного напряжения) в нескольких положениях корпуса 4 с катушками 6 и 7 относительно обмотки трансформатора, для чего весь корпус ограниченно перемещается в осевом направлении. Положение корпуса, при котором напряжение на выводах катушки 7 максимально, соответствует необходимому для дальнейших измерений положению катушки 6. Аналогично по максимуму напряжения на катушке 9 корректируют установку нижней основной катушки 8. Производят измерения напряжения Uверх на катушке 6 и Uниз на катушке 8, а также Vверх и Vниз на катушке 7 и 9. По этим напряжениям рассчитывают магнитный поток и магнитную индукцию поля рассеяния трансформатора в верхней и нижней частях его наружной обмотки верх = KфUверх, низ = KфUниз, Вx верх КвVверх, Вx низ КвVниз, где Кф и Кв коэффициенты, в которые входят геометрические размеры измерительных катушек, число их витков. Осевые силы при аварийных коротких замыканиях трансформатора, действующих на верхнюю и нижнюю половину обмотки Fверх КUверх, Fниз KUниз,где
Iуд ударный ток короткого замыкания в обмотке;
i ток в обмотке при измерении магнитного поля;
Wo число витков в обмотке;
W число витков в катушке 6 или 8;
D средний диаметр обмотки;
ho высота обмотки; b ширина катушки 6 или 8;
f частота сети. В случае, если обмотки симметричны (фиг. 4), распределение осевых сил по обмотке P(y) симметрично, сила сжатия обмоток Fверх и Fвниз равны (равны заштрихованные площади 17 и 18), что фиксируется при измерениях равенством напряжения Uверх и Uниз. Максимальная сила сжатия в обмотках при этом Pмакс Fверх Fниз, а силы на опорах равны нулю. В случае несимметрии обмоток (обмотка 3 ниже обмотки 2 на величину ) сила, действующая в верхней половине обмотки, существенно больше, чем в нижней (заштрихованные площадки 19 и 20 не равны), что фиксируется при измерении напряжений Uверх и Uниз. Силы Fверх=Fниз не равны, что значит, что возникает сила несимметрии Pниз:
Pниз Fверх Fниз K(Uверх Uниз)
Следует отметить, что сила несимметрии может быть определена по направлению U Uверх Uниз, известному при последовательном согласном соединении катушек 6 и 8. Макет устройства был изготовлен и опробован при испытаниях на стойкость при КЗ нескольких трансформаторов. При помощи этого устройства удалось достаточно точно и просто выбрать наиболее опасные по осевым силам КЗ режимы испытаний трансформатора, определить несимметрию обмоток. Экспериментально подтверждены преимущества предложенного устройства по сравнению с прототипом и аналогами.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5