Экспериментальная установка для разработки и исследования защит от витковых замыканий в трехфазном трансформаторе на магнитных трансформаторах тока

An experimental setup for the development and research of protection against coil circuits in a three-phase transformer using magnetic current transformers

Alexander Novozhilov

Dr. Tech. sciences, professor, professor of the department "Power" Pavlodar State University. S. Toraigyrova (PSU), Kazakhstan, Pavlodar

Evgeny Kolesnikov

undergraduate, doctoral candidate PhD Pavlodar State University. S. Toraigyrova (PSU), Kazakhstan, Pavlodar

Timofey Novozhilov,

Cand. tech. Sci., Associate Professor, Omsk State Technical University, Russia, Omsk

Аннотация. Высокой чувствительностью к витковым замыканиям в обмотках трансформаторов обладают защиты, в качестве измерительных преобразователей в которых используются магнитные трансформаторы тока (МТТ). Но такие защиты разработаны только для некоторых видов трансформаторов и не могут использоваться на трехфазных трехобмоточных.

В связи с тем, что разработка устройств релейной защиты невозможна без экспериментальных исследований, была разработана и изготовлена экспериментальная установка, которая позволяет осуществлять все необходимые исследования.

В статье дано описание экспериментальной установки, которое включает в себя принципиальную схему, описание и конструкцию используемых в ней элементов, измерительных приборов и аппаратов, а также указаны ее возможности при проведении экспериментов.

Abstract. High sensitivity to winding short circuits in transformer has protections, as measuring converters in which magnetic current transformers (MCT) are used. But such protection is designed only for some types of transformers and cannot be used on three-phase three-winding.

Due to the fact that the development of relay protection devices is impossible without experimental research, an experimental plant has been developed and manufactured, which allows to carry out all necessary research.

The article describes the experimental installation, which includes the schematic diagram, description and design of the elements, measuring instruments and devices used in it, as well as its capabilities in conducting experiments.

Ключевые слова: Трехфазный трансформатор; витковое замыкание; экспериментальная установка; магнитный трансформатор тока; устройство защиты.

Keywords: Three-phase transformer; winding circuit; experimental installation; magnetic current transformer; protection device.

Одним из наиболее важных и дорогостоящих элементов электроэнергетических систем являются трансформаторы. В частности трехфазные трехобмоточные трансформаторы с обмотками высокого, среднего и низкого напряжения. Для защиты этих трансформаторов от коротких замыканий, согласно [1, 2], традиционно используют токовые защиты на трансформаторах тока. Однако эти защиты обладают низкой чувствительностью к витковым замыканиям в обмотках трансформаторов. Это вызвано тем, что увеличение тока на выводах обмоток трансформатора при витковых замыканиях незначительно по сравнению, например, с увеличением этих токов при броске тока намагничивания трансформатора, от которых следует отстраивать защиту.

В соответствии с [3] высокой чувствительностью к витковым замыканиям обладают защиты, в качестве измерительных преобразователей в которых  используются магнитные трансформаторы тока (МТТ). Но такие защиты  разработаны только для некоторых видов трансформаторов и не могут использоваться на трехфазных трехобмоточных.

В связи с тем, что разработка устройств релейной защиты невозможна без экспериментальных исследований на кафедре «Электроэнергетика» Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова при выполнении научных исследований по теме «Совершенствование защит трехфазных трансформаторов от замыканий в обмотках на магнитных трансформатора тока» была разработана и изготовлена экспериментальная установка, которая позволяет осуществлять все необходимые исследования. Принципиальная схема этой установки приведена на рисунке 1.

В качестве экспериментального трансформатора TV для установки использовался трансформатор типа ТТ-6 мощностью 6,0 кВА. Некоторые из его электрических параметров приведены в таблице 1.

Рисунок 1. Электрическая схема соединений экспериментальной установки

Таблица 1.

Электрические параметры трансформатора ТТ-6

К трехфазной сети переменного тока напряжением 380В этот трансформатор подключается с помощью магнитного пускателя КМ типа ПМЕ-200. Управление магнитным пускателем осуществляется кнопками управления SB1 «пуск» и SB2 «стоп».

Обмотки среднего и низкого напряжения трансформатора подключены к нагрузке в виде активных сопротивлений  и . В качестве сопротивлений  использовались спирали нагрева заводского изготовления сопротивлением 46 Ом закрепленные на цилиндрических корпусах из асбеста. Сопротивления  выполнены из нихромовой проволоки Х20Н80 диаметром 2,1 мм с удельным сопротивлением 0,318 Ом/м намотанной виток к витку на аналогичные корпуса. Эти сопротивления имеют выводы, обеспечивающие нагрузку величиной 0; 2,5; 5; 7,5; 10 Ом. Изменение нагрузки трансформатора осуществляется по фазам переключателями К1-К3 типа ПМОФ-45.

Короткозамкнутые витки выполнены в виде дополнительной обмотки в 1-5 витков, намотанной поверх существующей заводской обмотки. Эта обмотка подключалась последовательно с витками той заводской обмотки, в которой должно произойти витковое замыкание. Количество замкнутых витков устанавливается положением переключателя К4 типа ПМОФ-45. Замыкание витков во время экспериментов осуществляется контактором К4. При этом ток в короткозамкнутых витках измеряется с помощью измерительного трансформатора тока УТТ-5М и амперметра А4 типа Э355-1 классом точности 1.5.

Ток в фазах обмоток высокого, среднего и низкого напряжения трансформатора измеряется амперметрами А1, А2 и А3 подключаемыми в разрыв цепи фаз с помощью штепсельных розеток ,  и  с вилками с перемычками. В качестве амперметров используются приборы  типа Э51, Э59 и Д566 с классами точности 1.0, 0.5, 0.2 соответственно. Такое подключение амперметров А1, А2 и А3 позволяет использовать один и тот же пробор для измерения токов в трех фазах и повысить точность измерений.

Измерение распределения магнитных потоков рассеяния в различных режимах работы осуществлялось с помощью МТТ. В качестве МТТ при проведении экспериментов предполагается использовать катушки от промежуточных реле [4-6] или изготавливаемые по расчетным данным вручную. Параметры используемых катушек от промежуточных реле приведены в таблице 2.

Для закрепления МТТ на трансформаторе в экспериментах предполагается использовать рейки из текстолита и уголки из алюминия, а обмотки МТТ подключать к устройству защиты УЗ. При этом нормально-замкнутые контакты устройства защиты должны подключаться к цени управления магнитным пускателем КМ.

Таблица 2.

Параметры измерительного преобразователя

Для регистрации результатов экспериментов в виде токов в обмотках трансформаторов и напряжения на выходе МТТ используется двухлучевой осциллограф на базе персонального компьютера с программным обеспечением «Елена-2014», разработанного на кафедре «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова докторантом Крюковой Е.В. под руководством профессора Новожилова А.Н..

В связи с тем, что пространственное распределение магнитных потоков привязано к геометрическим размерам элементов трансформатора, величины этих элементов приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Геометрические размеры элементов экспериментального трансформатора ТТ-6

Данная экспериментальная установка позволяет моделировать:

-режим холостого хода;

-режим короткого замыкания на выводах обмоток;

-режим включения трансформатора в сеть с произвольной нагрузкой;

-режим работы с переменной симметричной и несимметричной нагрузками;

-витковое замыкание.

В свою очередь моделирование этих режимов дает возможность:

- получить практически все данные необходимые для разработки математической модели трансформатора и оценить ее адекватность;

- выбирать место расположения МТТ при построении того или иного

вида защит;

- проверить адекватность расчета параметров не только МТТ, но и

элементов устройств релейной защиты.

 Внешний вид экспериментальной установки приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Экспериментальная установка