О некоторых особенностях электромагнитных явлений в трансформаторах - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

5120
О некоторых особенностях электромагнитных явлений в трансформаторах

 

Взяться за написание данной статьи автора побудили некоторые вопросы электромагнитных процессов в трансформаторах, которые он не смог объяснить, пользуясь установившимися в теории трансформаторостроения представлениями.

К неоднозначным вопросам теории трансформаторостроения, в частности, относятся:

а) появление больших магнитных потоков рассеяния при токах, близких к номинальному, несмотря на то, что современная теория в этом случае считает магнитопровод трансформатора ещё далёким от состояния насыщения;

б) независимость величины измеряемого сопротивления короткого замыкания от приложенного при измерениях к питаемой обмотке напряжения;

в) распространённое утверждение о том, что при коротком замыкании потокосцепление замкнутой обмотки равно нулю (Лейтес Л.В. «Эквивалентная схема двухобмоточного трансформатора: опыты «холостого хода» и короткого замыкания». Труды ВЭИ. 1969 г.)

Ниже эти вопросы рассмотрены подробнее. При этом для простоты изложения речь пойдёт о двухобмоточных трансформаторах, и все обозначения величин токов и напряжений будут соответствовать общепринятым, а индексы 1, 2 – свидетельствовать об их принадлежности, соответственно, к первичной (питаемой) или вторичной (нагруженной) обмотке.

 

Краткое изложение устоявшихся представлений об электромагнитных процессах в трансформаторах с магнитным сердечником

Как трансформатор набирает нагрузку, т.е. что заставляет ток в первичной обмотке возрастать от долей процента на «холостом ходу» до 100% Iном.

Основная функция магнитного сердечника трансформатора – многократное увеличение магнитного потока, создаваемого током в обмотке. Оно достигается за счёт имеющихся в материале сердечника доменов с направлением их магнитного поля, совпадающем с полем, создаваемым током в обмотке. При работе на «холостом ходу» поток, соответствующий приложенному напряжению, возбуждается уже при токах 0,3…1% номинального тока.

При включении трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке ток в первичной обмотке возрастает до тех пор, пока магнитный поток, вызываемый им в сердечнике, не достигнет амплитудного значения, соответствующего равенству

 

U1=k • dФ/ dt.

 

Как только мы замыкаем вторичную обмотку на нагрузку, возникающий в ней ток создаёт поток, направленный против потока первичной обмотки. При этом указанное ранее равенство нарушается, что вызывает увеличение первичного тока до величины, обеспечивающей восстановление этого равенства.

Так как величина синусоидального напряжение питающей сети практически постоянна, то геометрическая разность потоков, создаваемых обмотками, тоже постоянна и равна потоку «холостого хода», соответствующего питающему напряжению.

Далее считается, что в сердечнике трансформатора протекает не два противонаправленных потока, а только один, равный разности потоков обмоток и, естественно, равный потоку «холостого хода», и, соответственно, магнитная проницаемость сердечника (т.е. стали) равна таковой на «холостом ходу».

Это очень важное замечание, так как нелинейная зависимость потока в стали сердечника от тока в обмотке приводит к тому, что состояние сердечника коренным образом отличалось бы при токах в 1% и в 100% от номинального.

На рис.1 показана векторная диаграмма работы трансформатора под нагрузкой (Нейман Л.Р., Демирчян К.С. «Теоретические основы Электротехники». Издательство «Энергия» 1966 г.), на рис.2 – характеристика намагничивания сердечника, соответствующая такой модели.

 

Физика работы магнитного сердечника трансформатора

При возбуждении трансформатора магнитные домены в стали сердечника как бы поворачиваются, ориентируясь по направлению магнитного поля, создаваемого током в обмотке, и многократно его усиливают. Т.е. переменный ток заставляет домены каждый период переориентироваться с одного направления на противоположное, что и показано на рис.2.

При этом на поворот (или переориентацию доменов) тратится определённая энергия, которая и представляет собой, так называемые, потери на гистерезис, определяемые площадью петли гистерезиса.

Другой составляющей потерь в стали магнитопровода являются потери от вихревых токов.

Из истории трансформаторостроения известно, что потери на гистерезис были значительными при применении горячекатаных сталей. Не вдаваясь в подробности методов снижения потерь от вихревых токов путём уменьшения толщины листов и увеличения удельного сопротивления трансформаторной стали, отметим, что большое снижение потерь на гистерезис было получено при переходе на изготовление сердечников из холоднокатаной стали. Это уменьшение обусловлено тем, что домены в стали удалось направить в одном направлении – вдоль прокатки – и таким образом избавиться от доменов, направленных хаотически.

 

Факты, позволяющие усомниться в некоторых аспектах такой физической модели работы магнитного сердечника

1. Как известно, листы холоднокатаной стали, как и горячекатаной, магнитно нейтральны, т.е. количество доменов одного направления без воздействия внешнего магнитного поля равно количеству доменов противоположного направления.

Трудно поверить, что домены обоих направлений становятся однонаправленными и вращаются синхронно с изменением синусоидального напряжения. Ибо в таком случае потери в холоднокатаной стали ничем бы не отличались от потерь в горячекатаной стали.

Как указывает в своей книге И.И. Кифер (Кифер И.И. «Испытания ферромагнитных материалов». «Энергия», Москва, 1969 г.), домены не поворачиваются, а только немного переориентируются и расширяются под влиянием внешнего поля, усиливая его таким образом.

Можно предположить, что домены обратного направления, тоже немного переориентируясь, уменьшают своё отрицательное влияние на внешнее поле, а при отрицательной полуволне ведут себя аналогично доменам, совпадающим по направлению с полем при положительной полуволне синусоиды приложенного напряжения в режиме «холостого хода».

2. Известно, что в трансформаторах тока выгорают сердечники из горячекатаной стали, если ошибочно оставить их в работе с разомкнутой вторичной обмоткой. А сердечники из холоднокатаной стали не выгорают.

3. В технической литературе вы найдёте массу утверждений о повышении потерь в стали после транспортировки, после перешихтовки магнитопровода, после длительной эксплуатации трансформаторов. Но практически нет сведений о том, что после длительной эксплуатации приходится дополнительно устанавливать охладители для компенсации этих увеличившихся потерь в стали. А главное, не наблюдается массовых перегревов магнитопроводов трансформаторов, хотя при увеличении потерь на 20% и более они были бы неизбежны. Т.е. можно предположить, что в нагрузочных режимах увеличения потерь в стали не наблюдается?

4. В эксплуатации обычно избегают длительной работы трансформаторов на «холостом ходу». И не только из соображений экономии, но и из-за того, что при работе трансформатора на «холостом ходу» наблюдаются повышенные вибрации, повышенные уровни шума. Эти явления исчезают уже при незначительной нагрузке трансформатора. Одной из причин вибраций и шумов являются магнитострикции, т.е. изменения размеров листов электромагнитных сердечников при перемагничивании.

5. Посмотрите на трансформатор, показанный на рис.3. В его магнитопроводе при нагрузке протекает (по общепризнанной физической модели работы трансформатора) поток, равный разности Ф1–Ф20. При этом магнитопровод считается ненасыщенным. Тогда что же заставляет значительную часть потока замыкаться по воздуху?

 

Физическая модель магнитных явлений в трансформаторах, позволяющая (по мнению автора) объяснить некоторые из приведенных фактов

1. Как ранее отмечалось, принято считать, что в сердечнике трансформатора протекает только разностный поток, равный потоку «холостого хода».

Об этом прямо говорится во многих публикациях к.т.н. И.Б. Григорова, основательно занимавшегося оценкой величин магнитных потоков в стержнях и ярмах трансформаторов в рабочих режимах и в опыте короткого замыкания (И.Б. Григоров. «Потоки в стержне и ярме двухобмоточного трансформатора в опыте КЗ и в рабочем режиме». Выпуск 10{19} – 11{20}, 1972 г. «Аппараты высокого напряжения, трансформаторы, силовые конденсаторы»).

Расчёт этих потоков выполняется с учётом следующих условий:

«5). В любом поперечном сечении магнитопровода не может быть одновременно два противоположно направленных территориально разделённых потока».

Опровергнуть это условие трудно, так как индуктированная в обмотке э.д.с. равна разности э.д.с., индуктированных каждым из потоков, а разделить эти э.д.с. невозможно.

Ещё одним условием является:

«2). Магнитопровод трансформатора не насыщен.» С этим трудно согласиться, потому что потоки рассеяния при токах нагрузки, близких к номинальному, достигают значений 30...60% от потока «холостого хода» и могут появиться в воздухе только при значительном уменьшении магнитной проводимости сердечника.

Как известно, в управляемых постоянным током реакторах величина тока, потребляемого основной обмоткой, регулируется изменением магнитной проницаемости сердечника – изменением тока подмагничивания.

Естественно, предположить, что ток вторичной обмотки трансформатора также меняет магнитную проницаемость стали сердечника.

2. Если представить, что в сердечнике реально протекают оба потока, то для каждого из них существует путь наименьшего магнитного сопротивления. При этом при одной полуволне синусоидального напряжения поток одной из обмоток протекает по доменам соответствующего направления, а по доменам противоположного направления протекает поток другой (вторичной) обмотки. При отрицательной полуволне потоки как бы меняются доменами, как показано на рис.4.

В таком случае петля гистерезиса превращается в два участка, заштрихованные красными линиями (рис.2). Очевидно, что при этом переориентация доменов происходит только частично. Соответственно, и потери в стали существенно снижаются.

При этом магнитная проницаемость стали не достигает заоблачных величин (десятки тысяч) и практически не зависит от тока (или зависит от него незначительно и линейно). Отсюда становится понятным, почему измеряемое Zк не зависит от напряжения при опытах КЗ.

 

3. Проверить высказанную гипотезу можно, проведя точные измерения потерь в стали при опытах КЗ. Однако выполнение таких измерений достаточно сложно.

Следует также заметить, что после длительной эксплуатации измерениями потерь в стали при наличии только потока от одной обмотки действительно выявляют их увеличение, но оно проявляется только в режиме «холостого хода», т.е. в режиме отсутствия противопотока.

Что касается перегрева (и выгорания) сердечников трансформаторов тока из горячекатаной стали, то можно предположить более сильное влияние магнитного потока на домены, не совпадающие с его направлением, по аналогии с рамкой тока, в которую попадает больше силовых линий магнитного потока, если она перпендикулярна их направлению.

Выводы

Высказанные соображения позволяют сделать следующие обобщения:

1. В сердечнике трансформатора реально существуют два противонаправленных магнитных потока, возбуждаемых ампер-витками первичной (I1W1) и вторичной (I2W2) обмоток.

2. При этом магнитная проницаемость сердечника соответствует не разности этих потоков (которая, естественно, равна потоку первичной обмотки на «холостом ходу»), а величине потока первичной обмотки в режиме нагрузки.

3. Так как в таком случае магнитная проницаемость соответствует глубокому насыщению, то она в сотни раз меньше проницаемости в режиме «холостого хода». Это приводит к замыканию части потока по воздуху, так как магнитное сопротивление насыщенного сердечника становится сопоставимым с сопротивлением потоку, замыкающемуся по воздуху.

4. Учитывая то, что потоком рассеяния является часть потока обмотки, не связанная с другой обмоткой, его величина существенно зависит от взаиморасположения обмоток, чем и пользуются при конструировании трансформаторов с требующимся напряжением короткого замыкания.

5. Дополнительным подтверждением высказанных предположений может также служить показанная на рис.3 схема конструкции трансформатора. Потому что, если по магнитопроводу протекает только разностный поток, то что заставляет его частично 30...60% замыкаться по воздуху.

6. Очевидно, что потоки рассеяния от обеих обмоток в канале рассеяния имеют одинаковое направление (рис.5) и практически одинаковую величину, так как магнитная проводимость, соответствующая потоку от первичной обмотки, мало отличается от проводимости при величине потока, соответствующего I2W2.

7. Следует также отметить, что нет никакого отличия в процессах при работе трансформатора под нагрузкой и в режиме КЗ (что утверждает господин Л.В. Лейтес). Режим КЗ любого трансформатора – это нормальный режим постоянной работы трансформатора тока. Просто напряжение на закороченной вторичной обмотке, равное 0, совсем не говорит о равенстве нулю индуктированной в ней э.д.с. Это подтверждают результаты показанного на рис.6 опыта, где вторичные обмотки трансформатора тока намотаны сдвоенным проводом (бифилярно). При этом одна из них закорочена (с помощью амперметра), а к другой подсоединён вольтметр, показания которого тоже строго пропорциональны величине тока I1.

8. Геометрическая разность токов I1-I2 в нагрузочных режимах не равна току «холостого хода» I0, так как магнитная проницаемость стали магнитопровода в сотни раз меньше проницаемости в режиме «холостого хода». При этом требующееся увеличение разности токов достигается не за счёт их абсолютных величин, а за счёт изменения угла между ними (в книге Г.Н. Петрова «Электрические машины», Госэнергоиздат, 1956 г. приведена векторная диаграмма, где угол достигает 50°). Таким образом, сохраняется закон полного тока I1W1=I2W2.

Об этом также свидетельствует тот факт, что при увеличении разностного потока в трансформаторах тока (если сопротивление нагрузки вторичной обмотки больше 1 Ом) возрастает угловая погрешность.

Заключение

Принятые в расчётах и теории настоящего времени упрощения и допущения удовлетворяют требованиям трансформаторостроения. Однако более полный учёт реальных физических процессов в стали магнитопроводов позволил бы повысить точность проектирования, облегчил и улучшил бы конструирование трансформаторов. Введя соответствующие полным потокам обмоток характеристики трансформаторной стали, параметры можно значительно точнее рассчитывать конструкцию трансформатора. Тем более, что современные программно-аппаратные средства позволяют это легко сделать.

Кроме того, более глубокое понимание физических процессов, происходящих в стали трансформаторов, позволило бы повысить качество диагностики состояния трансформаторов в эксплуатации, что особенно актуально из-за наблюдающегося старения парка трансформаторов в мировой и отечественной энергетике.

Конечно, высказанные здесь соображения не являются истиной в последней инстанции. Однако автор надеется, что они привлекут к данным проблемам внимание более серьезных специалистов. Иногда полезно пересматривать принятые и существующие более столетия теории и воззрения.

 

От редакции. Публикуя эту дискуссионную статью, мы надеемся на то, что наши читатели выскажут свою точку зрения по поднятым в ней вопросам.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus