 |
1. Состояние Вопроса и постановка задач исследования
|
|
|
|
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. 1. Анализ состояния вопроса
1. 1. 1. Особенности конструкции силовых трансформаторов.
В конструктивном отношении силовой масляный трансформатор можно схематически представить состоящим из таких основных систем – магнитной системы, системы обмоток с их изоляцией, системы охлаждения, бака с радиаторами, активной части, маслорасширители, защитных устройств, контрольных приборов и вспомогательных систем. [7]
. Конструктивной и механической основой трансформатора является его магнитная система (магнитопровод), которая служит для локализации в ней основного магнитного поля трансформатора. Магнитная система представляет собой комплект пластин или других элементов из электротехнической стали или другого ферромагнитного материала, собранных в определенной геометрической форме.
Большинство типов магнитных систем можно четко подразделить на отдельные части. В соответствии с этим делением в магнитной системе различают стержни - те ее части, на которых располагаются основные обмотки трансформатора, служащие непосредственно для преобразования электрической энергии, и ярма - части, не несущие основных обмоток и служащие для замыкания магнитной цепи, а в некоторых типах трансформаторов также для расположения обмоток, имеющих вспомогательное назначение.
В магнитных системах, разделяющихся на стержни и ярма, при расчете параметров холостого хода трансформатора особо выделяются части, находящиеся в зоне сопряжения стержня и ярма и называемые углами магнитной системы. Понятие «угол» определяется как часть ярма магнитной системы, ограниченная объемом, образованным пересечением боковых поверхностей или их продолжений одного из ярм и одного из стержней. Пример магнитной системы изображен на рис. 1. 1.
|
|
|
Рисунок 1. 1 - Плоская шихтованная магнитная система трехфазного трансформатора с обмотками: 1 - ярмо; 2 - стержень; 3 - сечение стержня; 4 - угол магнитной системы
Трансформатор имеет цилиндрические многослойные обмотки. Алюминиевый или медный провод служит основой для обмоток трансформатора. Обмотки расположены концентрическим способом.
Выводы ВН и НН – съемные, состоят из проходных фарфоровых изоляторов наружной установки и находятся на крышке маслобака.
Бак изготавливается прямоугольной или овальной формы. Радиаторы, расположенные на стенках бака служат для улучшения охлаждения трансформатора. Остов состоит из магнитопровода, верхнего и нижнего ярма, которые стянуты ярмовыми балками. Высоковольтный трехфазный переключатель состоит из контактов (подвижных и неподвижных), а также и из изоляционных деталей. Трансформатор снабжен маслорасширителем. Уровень масла в маслорасширителе должен быть таким, чтобы при всех условиях окружающей среды и режимах работы обеспечивать полное наличие масла в баке. Очень важно непрерывно очищать масло от продуктов, которые снижают его диэлектрические свойства. Воздухоосушитель установлен на трансформаторы с целью защиты трансформатора при воздействии на него наружной атмосферы. Уровень масла в баке трансформатора контролируют по показанию маслоуказателя. Температура верхних слоев масла в баке измеряется ртутным термометром, который устанавливается в гильзу, расположенную на крышке бака.
1. 1. 2. Теория электромагнитного поля
Конструктивные параметры трансформатора можно определить путем исследования электромагнитных полей в их конструктивных элементах. В электротехнике описание электромагнитных полей развивается на основе уравнений Максвелла[2].
|
|
|
Математическая модель электромагнитных процессов в трансформаторе основывается на уравнениях Максвелла и уравнениях, характеризующих свойства сред [1-2]:
, (1. 1)
, (1. 2)
, (1. 3)
, (1. 4)
(1. 5)
где 
– магнитная индукция, Тл;
– напряженность магнитного поля, А/м;
– напряженность электрического поля, В/м;
– относительная магнитная проницаемость;
=4π ·10-7 Гн/м– магнитная постоянная.
Cвязь между магнитным полем и индукцией магнитного поля описывается нелинейной характеристикой, называемой кривой намагничивания. В общем виде зависимость B = f(H) показана на рисунке 1. 2. [38]
Рисунок 1. 2 - Кривая намагничивания стали 3409.
Еще одним важным параметром трансформатора является ток намагничивания. Он создает магнитный поток. Нелинейность зависимости тока в катушке от магнитного потока, из-за которой намагничивание сердечника заходит в область магнитного насыщения, приводит к тому, что ток в первичной обмотке становится несинусоидальным. Под действием синусоидально изменяющихся приложенного напряжения U и магнитного потока Ф0 в соответствии с кривой намагничивания получается несинусоидальный ток i, имеющий несколько заостренную форму (рис. 1. 3).
Рисунок 1. 3 - Пример графического определения значений тока по кривой намагничивания.
Вследствие нелинейной BH-кривой зависимости в магнитопроводе трансформатора, существует некоторая точка насыщения BS, после которой даже незначительное повышение поля B приводит к большому скачку поля H. Что в свою очередь вызывает резкое увеличение тока намагничивания в трансформаторе.
При моделировании трансформатора напряжения с учётом насыщения сердечника необходимо учитывать также рассеяние потока магнитной индукции. Эта необходимость вызвана тем, что рассеяние приводит к уменьшению потока магнитного поля в ярмах. Сильнее всего это проявляется при насыщении сердечника, когда магнитная индукция внутри металла растёт очень медленно.
|
|
|
Еще одной характеристикой трансформатора является характеристика удельных потерь в стали, которая учитывает потери на гистерезис и вихревые токи.
Методы расчета электромагнитных полей можно разделить на аналитические и численные [5].
Применение аналитических методов не является целесообразным при моделировании объектов сложной формы, таких как трансформаторы.
Поэтому будем использовать численный метод.
Распространение получили следующие численные методы:
- метод сеток, или метод конечных элементов;
- вариационные методы;
|
|
|
