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 h_о/2, где h_о высота обмотки от меди до меди, т.е. электромагнитная высота, а не конструктивная, которая, как правило, больше h_o 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 h_о можно рассматривать как приближенное: l≈0,5h_о или l≈0,5h_о+0,1h_о. 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 b_д должна быть достаточно малой, например не более 0,25 0,05 h_о. Длина l_д 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 B_x(y) вдоль высоты обмотки, графики 14 и 15, распределения осевых сил P(y), пропорциональных магнитному потоку Φ_x(y) и интегралу кривой B_x(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 U_верх на катушке 6 и U_низ на катушке 8, а также V_верх и V_низ 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 Φ_верх = K_ф·U_верх, Φ_низ = K_ф·U_низ, В_{x верх} К_в·V_верх, В_{x низ} К_в·V_низ, где К_ф и К_в 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 F_верх К·U_верх, F_низ K·U_низ,
где
I_уд ударный ток короткого замыкания в обмотке;
i ток в обмотке при измерении магнитного поля;
W_o число витков в обмотке;
W число витков в катушке 6 или 8;
D средний диаметр обмотки;
h_o 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 F_верх и F_вниз равны (равны заштрихованные площади 17 и 18), что фиксируется при измерениях равенством напряжения U_верх и U_низ. Максимальная сила сжатия в обмотках при этом P_макс F_верх F_низ, а силы на опорах равны нулю.

В случае несимметрии обмоток (обмотка 3 ниже обмотки 2 на величину Δ ) сила, действующая в верхней половине обмотки, существенно больше, чем в нижней (заштрихованные площадки 19 и 20 не равны), что фиксируется при измерении напряжений U_верх и U_низ. Силы F_верх=F_низ не равны, что значит, что возникает сила несимметрии P_низ:
P_низ F_верх F_низ K(U_верх U_низ)
Следует отметить, что сила несимметрии может быть определена по направлению U U_верх U_низ, 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

Устройство для измерения магнитного поля рассеяния трансформатора, содержащее две одинаковые измерительные катушки, одна из сторон каждой из которых совмещена с одним из противоположных торцов обмотки трансформатора, причем длина измерительных катушек составляет половину высоты обмотки трансформатора, отличающееся тем, что снабжено двумя корректирующими катушками, каждая из которых расположена на части корпуса своей измерительной катушки, обращенной к торцу обмотки трансформатора, измерительные и корректирующие катушки выполнены плоскими и прямоугольными, корректирующие катушки ориентированы большей осью по части своей измерительной катушки, обращенной к торцу обмотки трансформатора, при этом корпуса измерительных катушек закреплены на обмотке трансформатора с возможностью их раздельного ограниченного перемещения вдоль высоты обмотки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5