Что значит насыщение трансформатора

Насыщение ферритовых сердечников, а также сердечников из
распылённого железа и трансформаторной стали.
Онлайн калькуляторы — как не загнать сердечник в насыщение.
Зависимость магнитной индукции от тока в обмотке и количества витков.
Влияние воздушного зазора на режим работы магнитопровода.

Итак, мы решили поразвлечься и всерьёз сваять что-нибудь стоящее своими руками, как то: индуктивный фильтр для блока питания, дроссель для усилительного каскада, выходной трансформатор для однотактного УНЧ, или фиг его знает — чего ещё похуже.
Что объединяет этих жертв нашего волеизъявления?
Каждое из перечисленных моточных изделий содержит магнитомягкий магнитопровод, и через каждое из них протекает постоянный ток. И если к переменному току, даже значительных величин, магнитопровод относится сдержанно-положительно, то к постоянке питает явную антипатию и может резко войти в насыщение от её переизбытка.
При насыщении сердечника его относительная магнитная проницаемость резко уменьшается, что влечёт за собой пропорциональное уменьшение индуктивности изделия.

На этой странице порассуждаем о тороидальных магнитопроводах из ферритов, распылённого железа, электротехнической стали и их способности противостоять постоянному току.

Для наглядности рассмотрим график зависимости B от H , называемый петлёй гистерезиса, для распространённого, где-то даже народного, феррита марки N87 фирмы EPCOS.

Здесь:
H — напряжённость магнитного поля, а
B — магнитная индукция в сердечнике.

Зависимость приведена при температуре изделия +25 гр.С.

Интересующие нас параметры из datasheet-а производителя:

Начальная магнитная проницаемость —
µ = 2200 ,
Магнитная индукция насыщения при H=1200 А/м — Bнас = 0,490 Т .

Если внимательно присмотреться к графику, то легко заметить, что в области малых и средних индукций зависимость практически линейна и её наклон примерно равен µ . Именно на этот участок в большинстве случаев и должен приходиться диапазон рабочих индукций.
При дальнейшем повышении напря- жённости магнитного поля магнитная проницаемость начинает быстро падать, пока не наступает момент, при котором дальнейший рост магнитной индукции в сердечнике стопорится на определённой величине. В спецификациях это величина приводится, как значение магнитной индукции насыщения — Bнас , или Bs , т.е. величина, при которой значение магнитной проницаемости падает до неприлично малых значений.

Так что давайте без лишних прелюдий и телодвижений сделаем фундаментальный вывод — для нормальной работы катушки, намотанной на магнитопроводе, рабочие значения магнитной индукция в сердечнике не должны превышать величину 0,75 — 0,8 от значения справочной характеристики Bнас (Bs) .

Переходим к незамысловатым формулам!

Магнитная индукция в сердечнике равна:
B = µ×µ₀×n×I/l , где:
µ — магнитная проницаемость сердечника,
µ₀ = 4π×10 -7 (Гн/м) — физическая константа, называемая магнитной постоянной,
n — количество витков обмотки,
I — ток в обмотке,
l — средняя длина магнитного контура.

Поскольку рабочий режим магнитопровода мы выбираем в линейной области петли гестерезиса, то в качестве значения µ можно использовать паспортную характеристику начальной магнитной проницаемости сердечника.

Теперь можно рисовать калькулятор для расчёта магнитной индукции в катушке с учетом выбранного типа сердечника и конкретного количества витков обмотки.

Для удобства восприятия, помещу сюда и значение индуктивности полученного моточного изделия. Формулы для вычислений этого параметра выглядят следующим образом:
L=0,0002×µ×h×n 2 ×ln(D_внешн/D_внутр) при соблюдении условия D_внешн/D_внутр>1,75 ,
L=0,0004×µ×h×n 2 ×(D_внешн-D_внутр)/(D_внешн+D_внутр) при D_внешн/D_внутр

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В КАТУШКЕ С ТОРОИДАЛЬНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ.

Увы, но значительных токов через катушки на ферритовых кольцах, или торах из трансформаторной стали нам пропустить не удастся — нужны танцы с бубнами в виде немагнитных воздушных зазоров.
Другое дело — сердечники из распылённого железа, представляющие собой магнитопровод с немагнитными зазорами, технологически распределёнными по всему объёму магнитопровода. Их очевидный плюс — высокая индукция насыщения, минус — малые величины магнитной проницаемости.

В связи с этим, в некоторых случаях (в основном на низких частотах) предпочтительным является использование именно сердечников из ферритов (или железа) с пропилом для создания малого воздушного зазора. Данная мера позволяет в значительной мере увеличить величину допустимых токов через катушку без ввода магнитопровода в режим насыщения. Длина этого воздушного зазора позволяет регулировать как величину максимально-допустимой напряжённости магнитного поля в сердечнике, так и параметр изменившейся магнитной проницаемости, называемой эквивалентной магнитной проницаемостью сердечника с зазором — µ_эф . Значение этого параметра вычисляется по формуле:
µ_эф = µ/(1+l_з×µ/l) , где:
µ — начальная магнитная проницаемость сердечника,
l — средняя длина магнитного контура,
l_з — длина воздушного зазора (толщина пропила).

Давайте посчитаем этот параметр.

РАСЧЁТ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СЕРДЕЧНИКА С ЗАЗОРОМ.

Таблица даёт приблизительную, но, в большинстве своём, приемлемую точность расчёта при величинах длины воздушного зазора 0,2-2 мм.

Для Ш-образных сердечников в качестве внутреннего и внешнего диаметров следует вводить справочную характеристику длины магнитного контура le .

Определив ниже магнитную проницаемость сердечника с зазором, следует ввести это значение в предыдущий калькулятор и заново произвести вычисления магнитной индукции и индуктивности катушки.

Для наглядности приведу два графика петли гистерезиса Ш-образного ферритового сердечника марки N87 без немагнитного воздушного зазора и с зазором около 1 мм. Феррит ETD 59/31/22, достаточно крупный, с средней длиной магнитного контура le = 139 мм.
Механизмы влияния зазора у Ш-образных и тороидальных сердечников абсолютно идентичны.

Эквивалентная магнитная проницаемость сердечника с зазором уменьшилась и составила величину 160 единиц. Соответственно, уменьшился и наклон петли, позволяя сердечнику работать при гораздо больших значениях напряжённости магнитного поля вдали от области магнитной индукции насыщения сердечника.
А учитывая то, что значение напряжённости H прямо пропорционально, протекающему через катушку току, можно с уверенностью сказать, что область безопасных индукций теперь соответствует более чем на порядок большим токам в обмотке.

Линейная область петли гистерезиса также заметно увеличилась, что позволяет увеличить максимальные рабочие значения магнитной индукция в сердечнике вплоть до 0,85-0,9 от значения справочной характеристики Bнас (Bs).

Источник

Влияние быстрого насыщения трансформаторов тока на работу РЗ

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 15.04.2021 2021-04-15

Статья просмотрена: 449 раз

Библиографическое описание:

Александров, А. В. Влияние быстрого насыщения трансформаторов тока на работу РЗ / А. В. Александров. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 16 (358). — С. 73-74. — URL: https://moluch.ru/archive/358/80027/ (дата обращения: 14.12.2021).

Эффект насыщения трансформаторов тока известен давно, но актуальность данного вопроса остается и в настоящем времени. В данной статье рассматривается влияние насыщения ТТ, с целью исключения ложного срабатывания РЗА.

Ключевые слова: насыщение трансформаторов тока, релейная защита.

Keywords: saturation of current transformers, relay protection.

Введение

Изучение проблем быстрого насыщения трансформаторов тока (далее ТТ) в переходных режимах в нашей стране началось в 60-х годах ХХ века, однако, и в настоящем времени данный вопрос является актуальным.

Интерес к этому эффекту обусловлен влиянием его на работу устройств релейной защиты (далее РЗ). Остаточная намагниченность накапливается в процессе эксплуатации или возникает при измерении сопротивления обмоток постоянному току перед вводом в эксплуатацию и сохраняется в течение всего срока службы. В переходных режимах происходит насыщение сердечников трансформаторов тока из-за наличия остаточной намагниченности, которая достигает 86 %. В результате насыщения возникает искажение вторичного тока, которое может привести как к излишней работе РЗ, так и к увеличению времени отключения КЗ (вплоть до отказа РЗ).

Примером аварии, вызванной насыщением ТТ воздействием апериодической составляющей тока КЗ и наличием остаточного намагничивания в сердечнике ТТ, является случай ложного срабатывания устройств РЗ на ОРУ 500 кВ Ростовской АЭС в 2014 г., которая привела к отделению части ОЭС Юга от ЕЭС России;

Для изучения данного вопроса в 2017 г. ОАО «ВНИИР» были проведены испытания устройств РЗ в условиях одинаковых условиях и схемно-режимных ситуациях при насыщении трансформаторов тока при помощи программно-аппаратного комплекса моделирования энергосистем.

В ходе работ было выявлено замедленное срабатывание при внутренних КЗ следующих видов защит:

— дифференциальной защиты линии (далее ДЗЛ);

— дифференциально фазной защиты (далее ДФЗ);

— первой ступени дистанционной защиты (далее ДЗ);

— первой ступени токовой защиты нулевой последовательности (ТЗНП).

Влияние эффекта насыщения ТТ на работу устройств РЗ

Работа трансформатора тока характеризуется уравнением намагничивающих сил (1):

Выражение говорит о том, что первичный ток трансформируется во вторичную обмотку лишь частично. Часть тока используется для намагничивания сердечника ТТ. Данное явление наблюдается как в установившихся режимах, так и в переходных режимах. Из-за разницы скорости изменения апериодической и переменной составляющих, большая часть апериодической идет на насыщение сердечника, из-за чего ухудшается трансформация периодической составляющей во вторичную цепь. Это называют подмагничивающим действием. Учитывая остаточную намагниченность в сердечниках ТТ, которая сохраняется в течение длительного времени, возможен режим работы, при котором остаточный магнитный поток в сердечнике совпадает по направлению с магнитным потоком, создаваемым апериодической составляющей тока намагничивания. В результате трансформатор тока начинает работать в режиме насыщения, то есть намагничивающий ток растет существенно быстрее рабочего тока магнитного потока.

Процессы, связанные с насыщением ТТ, особенно характерны для распределительных устройств крупных электростанций и подстанций, где могут иметь место большие кратности токов короткого замыкания во вторичных цепях и постоянные времени апериодической слагающей тока повреждения могут принимать существенные значения.

В общем случае влияние насыщения сердечников ТТ на функционирование всех видов основных быстродействующих защит и быстродействующих ступеней резервных защит проявлялось в следующих видах [5]:

— замедление в срабатывании на определённый временной интервал переходного процесса;

— неселективное срабатывание при КЗ вне зоны действия защит;

— отсутствие требуемой переориентации защиты при переходе внешнего КЗ в зону действия;

— неселективное срабатывание защиты в неповреждённой фазе при насыщении ТТ, обусловленном наличием в сердечнике ТТ этой фазы остаточной магнитной индукции неблагоприятного знака и падением напряжения на нулевом проводе вторичных токовых цепей.

Выводы:

Насыщение сердечников трансформаторов тока (ТТ) может приводить к неправильным действиям и недопустимым замедлениям в срабатывании устройств РЗА объектов электроэнергетики. Необходима разработка методики испытаний устройств РЗ в условиях насыщения ТТ с использованием моделей энергообъектов, проверка в соответствии с разработанной методикой как используемых в серийных устройствах, так и модернизированных алгоритмов действия защит.

Источник

Что значит насыщение трансформатора

Насыщение сердечника трансформатора

Трансформаторы с тороидальными сердечниками гораздо более чувствительны к насыщению материала сердечника, что является прямым результатом их конструкции, более приближающейся к идеальной. Вне зависимости от того, является ли трансформатор силовым или низкочастотным, используемым в звуковом тракте, сердечники мощных трансформаторов обычно изготавливаются из кремнистой электротехнической стали с ориентированными зернами (GOSS), которая обладает тем преимуществом, что в направлении, совпадающем с плоскостью зерен, плотность магнитного потока может иметь более высокие значения. Традиционные трансформаторы, в которых сердечники набраны из обычных Ш-образных пластин, лишены этого преимущества, так в таких сердечниках всегда существуют области, в которых вектор магнитного потока направлен перпендикулярно плоскости зерна. Для тороидальных сердечников вектор магнитного потока всегда параллелен плоскости зерна, поэтому эти сердечники могут работать при таких значениях плотности потока, которые значительно ближе по своей величине к насыщению. А это, в свою очередь, позволяет уменьшать размеры трансформатора, так как работа при более высоких значениях магнитного потока позволяет использовать сердечник меньшего размера. Соответственно, процесс насыщения тороидальных сердечников происходит более резко, тогда как подобный переход для обычных Ш-образных сердечников происходит более плавно.

Рис. 6.10 Осциллограммы тока и напряжения на накопительном конденсаторе при токе нагрузки 88 мА. Верхняя осциллограмма (Сh. 1): форма тока (амплитудное значение I_pk = 340 мА). Нижняя осциллограмма (Сh. 2): напряжение пульсаций (двойное амплитудное значение напряжения V_pk-pk= 13 В)

Насыщение сердечника трансформатора крайне нежелательно, так как при этом происходит интенсивное рассеяние магнитного потока вне сердечника, что вызывает наведение токов индукции в близко расположенных цепях. Еще хуже то, что насыщение возникает периодически (с частотой 100 или 120 Гц), поэтому вызывает всплески помех, частоты которых распространяются и на звуковых частотах и в радиочастотный диапазон. Более резкий переход в режим насыщения способствует появлению большей доли высших гармоник в. Разумеется, нельзя забывать и о том, что насыщение сердечника приводит к его перегреву, вплоть до его физического разрушения.

Рис. 6.11 Спектральный состав тока пульсаций накопительного конденсатора

И это не просто сомнительные россказни о гипотетических несчастиях. Автор «вырвал почти все волосы на своей голове», разыскивая источник видеопомех на мониторе для вывода графических данных, прежде чем обнаружил, что причиной оказалось насыщение торроидального сердечника силового трансформатора, который индуцировал помехи непосредственно в горловине кинескопа монитора.

Если в результате расчета источника питания оказалось, что он должен иметь напряжение пульсаций, составляющее только 5% от величины напряжения питания, то это означает, что 90% времени трансформатор будет фактически отключен от схемы, а выходное сопротивление источника питания будет определяться только эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора и сопротивлением выходных проводов. Именно по этой причине замена накопительного конденсатора обычного типа на тип, рассчитанный на высокие значения токов пульсаций, оказывает очень заметное влияние на качество звучания усилителя, так как для них величина эквивалентного последовательного сопротивления, ESR, значительно ниже (правда выше при этом оказывается их стоимость).

Комбинация компонентов из обмотки трансформатора, выпрямителя и конденсатора образует сугубо нелинейную систему. Поэтому их поведение становится гораздо сложнее, чем предсказывает схема идеального источника напряжения Тевенина, в силу чего анализ необходимо проводить с учетом поведения реальной схемы в различные моменты времени.

На протяжении очень короткого начального периода времени (менее времени заряда конденсатора) выходное сопротивление источника питания определяется суммой эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора и сопротивления проводов. Это будет оставаться справедливым даже в случае протекания переходных токов с очень высокими значениями, которые могут возникать при первом и последующих циклах заряда при условии, что они при этом не очень значительно меняют величину заряда конденсатора. Единственное условие, которое должно соблюдаться, это то, чтобы конденсатор был бы в состоянии выдержать этот значительный по величине ток. Для того, чтобы соблюсти это условие, у конденсатора должно быть небольшое значение эквивалентного последовательного сопротивления, ESR, и не только на частотах сетевого питания, но в диапазоне частот, по крайней мере, до 40 кГц. Это связано с тем, что выходной усилитель мощности, часто работающий в классе В (с отсечкой выходного тока ламп), вызывает появление выпрямленной составляющей звукового сигнала, а также его второй гармоники (то есть удвоенной звуковой частоты) на шинах источника питания. Для выполнения требований этого условия можно использовать электролитический конденсатор, предназначенный для применения в импульсных источниках питания в качестве накопительного конденсатора, зашунтировав его конденсатором меньшей емкости (рис. 6.12).

Источник