CC BY
15
УДК 621.314.2 Б01: 10.15587/2312-8372.2016.74694
Бржезицький в. о., АНАД13 ЕМН1СННХ СТРУМ1В
Гаран я. О в оБМотц внсоковольтного
ВНМ1РЮВАЛЬНОГО АвТОТРАНСФОРМАТОРА НАПРУГН
Виконано аналгзрозподшу емтсних струмгв в витках багатошарових обмоток високовольтних автотрансформаторгв напруги. Визначено вгдмттсть розподшу емтсних струмгв для першого шару виткгв та всгх тших шаргв обмотки. Запропонований метод врахування впливу емтсних струмгв в обмотц високовольтного автотрансформатора напруги на розподы загального спа-дання напруги по витках обмотки.
Илпчов1 слова: автотрансформатор напруги, емтсний струм, спадання напруги, мгжшаро-ва емтсть.
1. вступ
Авторансформатор — це рiзновид трансформатора — статичний електромагштний пристрш, в якому, на вщмшу ввд трансформатора, первинна та вторинна обмотки мають як магштний, так i електричний зв'я-зок, призначений для перетворення одше! чи кшькох систем змшного струму в одну чи кшька шших систем змшного струму [1]. Автотрансформатори, як правило, подшяються на силов^ призначеш для перетворення параметрiв потужност в електричних колах високо! напруги, та вдуктивш подiльники напруги, яю, зазвичай, використовують в якостi низьковольтних прецизшних масштабних перетворювачiв напруги [2, 3].
Як масштабний перетворювач напруги, високовольтний однофазний автотрансформатор напруги, як правило, мае одну чи декшька високовольтних вхщних частин обмотки та одну чи декшька вихщних частин обмотки, розрахованих на номшальт напруги в кшька десятюв або сотень вольт, призначених для приеднання низьковольтних вимiрюваль-них приладiв. Оскiльки вхщна напруга високовольтного автотрансформатора напруги може сягати сотень кшовольт, такi автотрансформатори можуть мати значт коефiцiенти трансформацп (порядку 1000 ... 10000 одиниць). Вна-слщок велико! кiлькостi витюв обмотки високовольтного автотрансформатора напруги, який працюе в режимi, наближеному до холостого ходу (якщо приеднаний до вихщно! частини його обмотки низьковольтний вимiрю-вальний прилад мае значний вхщний комплексний опiр), струм холостого ходу е незначним. Одночасно, техтчне виконання високовольтно! обмотки з великою юльюстю виткiв вимагае щшьного розташування цих виткiв задля зменшення габаритiв та маси активно'! частини. Внаслщок щiльного розташування виткiв високовольтно! обмотки мiж витками з рiзними потенцiалами можуть виникати суттевi емшсш струми, викликанi складною картиною розподшу електричного поля мiж цими витками та формуванням електричних зарядiв на границях розподшу провщних частин витюв обмотки та iзолящi.
Складнi емшсш зв'язки мiж окремими витками обмотки високовольтного автотрансформатора напруги
подiбнi до емнiсних зв'язкiв в високовольтних обмотках трансформаторiв напруги, якi дослвджуються в рядi робiт, наприклад [4]. Як правило, дослщження частот-них характеристик трансформаторiв напруги, пов'язаних з дiею емностей та iндуктивностей окремих частин обмоток високовольтних трансформаторiв напруги, ви-конуються з метою дослвдження резонансних частот трансформаторiв, за яких можливi суттевi перенапруги та пошкодження iзоляцii обмоток [4]. Однак, за умови малого значення струмiв холостого ходу, емшсш струми можуть сягати одного порядку з ними, або бути незначно меншими, навиь для робочо! частоти автотрансфор-маторiв. Такi струми можуть мати суттевий вплив на фактичний коефщент трансформацп, оскшьки вони по рiзному розподiляються по високовольтнiй та низько-вольтнiй обмотках трансформатора напруги. Ще бiльш суттевим цей вплив може бути для високовольтного вимiрювального автотрансформатора напруги, оскшьки його вихвдна частина обмотки мае електричний зв'язок з високовольтною частиною, причому, емнiснi струми мають можливкть перетiкати у низьковольтну части-ну обмотки та безпосередньо впливати на коефщент масштабного перетворення напруги.
Тому дослщження розподiлу емшсних струмiв в об-мотцi високовольтного вшшрювального автотрансформатора напруги е актуальним, особливо, для автотран-сформаторiв зi значними номшальними коефiцiентами дiлення.
2. Об'скт дослщження та його технолопчний аудит
Об'ектом дослгдження в данiй робот е емнiснi струми в обмотках високовольтних вшшрювальних автотран-сформаторiв напруги. Як вщомо, емнiснi струми суттево залежать ввд частоти прикладено! напруги. В даному дослвдженш розглядаються емшсш струми за умови прикладення до обмотки високовольтного вимiрю-вального автотрансформатора вхвдно! напруги частоти 50 (60) Гц. В дослвдженш розглядаеться активна частина автотрансформатора напруги з багатошаровою
обмоткою цилiндричного типу, виконана на стрижш магнiтопроводу з електротехнiчноi сталь На вщмшу вiд конструкцiй силових трансформаторiв та автотрансфор-маторiв, цилвдричш високовольтнi обмотки вимiрюваль-них трансформаторiв та автотрансформаторiв напруги мають у перерiзi форму, наближену до трапецп, що пов'язано з великою кшьюстю виткiв та необхiднiстю забезпечити зменшення напруженостi електричного поля поблизу ярем магнiтноi системи. Зазвичай, обмотки екранують вiд стрижня магнiтопроводу заземлюваним електростатичним екраном, а останнш (високовольтний) шар обмотки автотрансформатора напруги (так само, як i трансформатора напруги) екранують високовольтним електростатичним екраном, призначення якого — вирiв-нювання розподiлу електричного поля та недопущення виникнення коронних розрядiв. Мiжвиткова iзоляцiя високовольтних вимiрювальних автотрансформаторiв, по аналогii з трансформаторами напруги, як правило, обмежуеться твердою iзоляцieю обмоткового проводу та рщкою чи газовою iзоляцiею внутрiшнього сере-довища автотрансформатора. Мiжшарова iзоляцiя, як правило, виконуеться комбшованою та складаеться з iзоляцii обмоткового проводу, твердоi мiжшаровоi iзо-ляцii, просоченоi рщким чи газоподiбним дiелектриком. Ця iзоляцiя виконуе одночасно роль механiчноi основи для наступного шару витюв та електричноi iзоляцii, яка особливо важлива для крайшх виткiв сумiжних шарiв обмотки. Зменшення ширини намотування наступного шару виткiв виконуеться, одночасно, для зменшення напруженост електричного поля мiж крайнiми витками й ярмами та для унеможливлення розряду по по-верхнi мiжшарового дiелектрику мiж крайнiми витками з найбшьшою рiзницею потенцiалiв двох сусiднiх шарiв. Розрахунок розподiлу напруги по витках обмотки автотрансформатора напруги (або трансформатора напру-ги), особливо для режиму холостого ходу, е достатньо складною задачею, прикладом виршення яко' можуть бути дослщження [5]. У випадку, коли емшсш струми в обмотках складають суттеву частину, по вщношенню до струму холостого ходу, необхщно враховувати '¿х вплив на загальний розподш напруги по витках обмотки високовольтного автотрансформатора напруги.
3. Мета та задач1 дослщження
Метою даного дослгдження е виявлення впливу ем-нiсних струмiв в обмотцi високовольтного автотрансформатора напруги на розподш напруги по витках обмотки та визначення характеру цього впливу. Для досягнення поставленоi мети необхщно виконати ряд задач, а саме:
— визначити для високовольтного вшшрювально-го автотрансформатора напруги найбшьш вагомi фактори виникнення та розподшу емшсних струмiв в його обмотщ за режиму холостого ходу та робочо' частоти 50 (60) Гц;
— розробити схему замщення для типово' цилшд-рично' багатошарово' обмотки високовольтного автотрансформатора напруги;
— виконати перехщ вщ розподiлених параметрiв активно', щдуктивно' та емнiсноi складових опорiв для обмотки високовольтного автотрансформатора напруги до зосереджених параметрiв, якi можливо використо-вувати в схемi його замiщення на робочш частотi;
— розрахувати вплив окремих складових опорiв для зосереджених параметрiв обмотки на частотi 50 (60) Гц на протжання емнiсних струмiв в обмотцi високовольтного автотрансформатора напруги;
— розрахувати розподш емшсних струмiв в обмотцi високовольтного автотрансформатора напруги класу 10 кВ та визначити мехашзм його впливу на загальний розподш напруги по витках високовольтного автотрансформатора напруги на холостому ход!
4. Анал1з л1тературних даних
Проблема емшсних струмiв в обмотках трансфор-маторiв та автотрансформаторiв дослiджуеться достатньо давно. Основною темою, яку дослщжують численш науковцi, е частотнi характеристики трансформаторiв та автотрансформаторiв. Дослiдження з дано' тематики е особливо актуальними для високовольтних тран-сформаторiв напруги, значш емностi в обмотках яких створюють складш коливальнi контури з резонансними частотами, що можуть призводити до значних пере-напруг при перехвдних процесах в електромережах. В робоп [4] виконувалось дослщження частотних характеристик трансформатора типу Н0М-10 з метою визначення резонансних частот та чутливост таких трансформаторiв до рiзного типу перенапруг. Також в цш роботi були запропоноваш методи визначення розподiлу напруги по обмотках даного трансформатора, в залежност вщ частоти прикладено' до обмотки напруги. Особливктю даного дослщження можна вважати його повшстю експериментальний характер, осюльки частотнi характеристики визначались для конкретного трансформатора експериментальним шляхом.
В [6] автор тдсумовуе ряд робгг з аналiзу частотних характеристик трансформаторiв та розподшу напруги по '¿х високовольтних обмотках в залежност вiд характеристик перехщного процесу на входi обмотки. В роботi дослiджуються методи розрахунку частотних характеристик, запропоноваш шшими авторами, та пропонуеться власний метод переходу вщ розподшених параметрiв iндуктивностi, емностi, активного опору та провщносп на землю обмотки до диференцшованих зосереджених параметрiв, якi в подальшому пропонуеться використо-вувати у вщповщнш схемi замiщення. Автором придше-но основну увагу мiжвитковим емностям обмотки, яю, в загальному випадку, можуть створювати ряд коли-вальних контурiв з iндуктивностями цих витюв, '¿х ак-тивними опорами та провщностями на землю. Недоль ком ще' роботи можна вважати вщсутшсть розрахункiв впливу розподiлених емностей обмотки на розподш напруги за нормальних режимiв роботи трансформатора. Той же автор в [7], додатково до поздовжнього розподшеного комплексного опору обмотки, розглядае мiжшаровi емност i провщносп та пропонуе методи '¿х врахування для визначення частотних характеристик обмоток силових трансформаторiв. В робот зроблено наголос на неоднорiдностi параметрiв окремих дiлянок обмоток та запропонована е^валентна схема замщен-ня, яка дозволяе використовувати, за запропонованою автором методикою, зосереджеш параметри емносп, шдуктивносп, активного опору та провiдностi окремих дшянок обмотки. Одержанi автором результат хоча i е актуальними для силових трансформаторiв, проте, не можуть бути без певних доробок застосоваш для
високовольтних вимiрювальних трансформаторiв та авто-трансформаторiв напруги.
В роботi [8] запропоновано визначати частоты характеристики високовольтного трансформатора торощально-го типу шляхом визначення значень його мiжвиткових емностей чисельними методами. В робот запропоновано використовувати програмне забезпечення на основi методу скiнченних елементiв для визначення розподшу елект-ричного поля в тривимiрнiй моде.ш трансформатора. Однак, хоча в робот й запропоновано вщповщну схему замiщення, в яюй використовуються роз-рахованi чисельно мiжвитковi та мiжшаровi eмностi обмотки такого трансформатора, матри-щ взаемних iндуктивностей, ак-тивних опорiв та провiдностей пропонуеться розраховувати на основi матриц взаемних емностей, елементи яко1 визначають-ся чисельними розрахунками, що знижуе точнiсть таких роз-рахункiв.
Аналогiчнi дослщження роз-глянутi в [9], де запропоновано математичну модель високо-вольтного трансформатора з ци-лшдричними обмотками на
двострижневому магштопровод! В данiй роботi показано, що в трансформаторi з багатошаровою високовольтною обмоткою цилiндричного типу емностi крайшх виткiв шарiв на заземленi частини конструкцп становлять близько 1 пФ, й при iмпульсному впливi майже не змшюють розподiл напруги по витках обмотки. Також, в робот показано, що навиь при значному збшьшенш цiеi емностi до 100 пФ (чого не бувае в реальних кон-струкщях трансформаторiв) ввдхилення вiд розподiлу напруги по витках обмотки також е незначним. бмност мiж шарами виткiв в [9] запропоновано розраховува-ти за емностями коакаальних цилiндрiв з радiусами й висотами, що ввдповщають сусiднiм шарам обмотки. Також в цш робот запропоновано розраховувати взаемну шдуктившсть виткiв обмотки за формулами магштного поля кругових виткiв у цилшдричнш системi координат. Моделювання та експериментальш дослi-дження характеристик високовольтного трансформатора, виконанi в цш роботi, показали достатньо високий стутнь спiвпадiння результатiв.
В [10] достатньо детально розглянут методи обчис-лень взаемних емностей мiж витками одного шару та в рiзних шарах багатошарових обмоток трансформаторiв.
Огляд публжацш за темою статтi засвiдчуе, що дослщження в напрямку визначення впливу емшсних струмiв в обмотках високовольтних трансформаторiв ведеться вже тривалий час, кнуе ряд методiв, якi дозво-ляють обчислювати мiжвитковi та мiжшаровi емностi в обмотках, взаемнi та власш iндуктивностi виткiв обмоток. Проте, дослщження високовольтних автотрансфор-маторiв в якостi масштабних перетворювачiв високо'' напруги практично вiдсутнi, також бракуе матерiалiв, якi стосуються дослiджень впливу емшсних струмiв на розподiл напруги по витках обмотки за нормальних режшшв роботи автотрансформаторiв напруги.
5. Матер1али та методи дослщжень
Для аналiзу розподiлу емнiсних струмiв в обмотщ високовольтного автотрансформатора напруги в робот використовуеться вiсесиметрична модель багатошаровоi цилiндричноi обмотки вимiрювального автотрансформатора класу 10 кВ, виконана на стрижш двострижневого магнiтопроводу, яка представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схематичне зображення n9pepi3y обмотки високовольтного вимiрювальн□г□ автотрансформатора напруги класу 10 кВ
Для визначення розподiлу напруженост електрично-го поля та обчислення заряду на поверхнях провщних частин моделi використовуються чисельнi розрахун-ки в програмному пакет Comsol Multiphysics. Вико-ристовуючи методи, викладенi в [9, 10] та результати чисельних розрахунюв, в робот виконано перехщ вiд розподiлених мiжшарових емностей до зосереджених емностей кожного витка. Для розрахунюв емшсних струмiв була використана схема замщення, представлена на рис. 2.
В представленш схемi замщення враховуеться те, що юльюсть витюв у багатошаровiй високовольтнiй обмотщ з чередуванням шарiв зменшуеться зi збшь-шенням потенцiалу початкового витка шару. Одночасно, з вщдаленням шару вщ стрижня, збiльшуеться його площа поверхнi, а отже — збшьшуеться емнiсть мiж шарами. Комплекснi мiжвитковi опори 1в(^сщ скла-даються з включених паралельно активних та емшсних складових опорiв витюв, що визначаються за активними провщностями мiжвитковоi iзоляцii та емностями мiж двома сусщшми витками в одному шарi, як описано в [9, 10]. Комплексш витковi опори Zв(k)Lnk визначаються як результуючi значення розрахункiв, що врахо-вують власнi активнi складовi опорiв виткiв, власнi та взаемш iндуктивностi розсiювання мiж рiзними витками в обмотщ, а також власш та взаемш шдуктивност, пов'язаш з магштопроводом високовольтного автотрансформатора напруги, та розраховуються за вщомими методами, наприклад, представленими в [5].
Комплексш мiжшаровi опори Zм(k)(k - 1) визначаються загальними мiжшаровими активними провщностя-ми та емностями на один виток шару. Перший номер в дужках означае шдекс зовшшнього шару обмотки, другий — найближчого внутршнього шару обмотки високовольтного автотрансформатора напруги.
Рис. 2. Схема замiщення обмотки високовольтного автотрансформатора напруги з розподшеними комплексними опорами: ZмШ(k - 1) — м1жшаров1 комплексн1 опори м1ж (к)-м та (к - 1)-м шарами обмотки; ZвШLПk — витков1 комплексн1 опори шдуктивно'' г1лки; Zв(k)cЛi — м1жвитков1 комплексн1 опори Емшсно'' г1лки; к — кiлькiсть шар1в в обмотц1; Пк — кшьтсть виттв у к-му шар1; ЙВн — приЕднання високо'' напруги; ВН — шдекс високовольтного електростатичного екрану; 0 — 1ндекс заземлюваного електростатичного екрану
На рис. 2 видшено жирними лiнiями коло, яке не враховуе анi мiжвитковi eмностi в одному шар^ аш мiжшаровi емност мiж найближчими витками в сусщ-нiх шарах. Це коло вщповщае розрахункам, результаты яких одержуються за [5].
Для частоти струму робочо! напруги 50 (60) Гц комплексш витковi опори iндуктивних гiлок за рис. 2 е суттево меншими за комплекснi опори eмнiсних мiж-виткових гiлок. Внаслiдок цього, для розрахунюв за частоти 50 (60) Гц значеннями опорiв емнiсних мiжвит-кових гiлок у першому наближенш можна нехтувати. Комплекснi мiжшаровi опори можуть бути в кшька разiв бiльшими за вiдповiднi мiжвитковi, проте, внаслщок значно бiльшоi рiзницi потенцiалiв мiж витками в рiзних шарах, формують суттево бiльшi струми, величини яких визначають на частотi 50 (60) Гц мiжшаровi емностi. Внаслщок нерiвномiрностi розподiлу мiжшарових емтс-них струмiв по витках одного шару, викликаного рiзними градiентами напруги по вщношенню до зовнiшнього та внутршнього шарiв обмотки, результуючий емнiсний струм, що е алгебраiчною сумою струмiв, якi втiкають у виток з шару з бшьшим потенцiалом та витжають у шар з меншим потенцiалом, буде протiкати вздовж витюв одного шару.
В подальших розрахунках приймаеться, що вс зо-середжеш мiжшаровi емностi е однаковi для сусщшх шарiв, що розглядаються ^золящя мае однакову тов-щину та характеристики). Приймаеться також, що вс1 мiжвитковi емностi е однаковi для вах виткiв в одному шар1 Загальна емнiсть двох шарiв обмотки, що розглядаються, розраховуеться за формулою емност коаксiального конденсатора:
C =
2 ■ П ■ £0■ £ ■H
ln
R1 + d R1
(1)
де £о — електрична стала; £ — вщносна дiелектрична проникшсть матерiалу мiжшаровоi iзоляцii; Н — мш-мальна висота сусiднiх шарiв цилiндричноi обмотки; d — товщина iзоляцii мiж шарами; — максимальний, по вщношенню до вга обмотки, радiус поверхнi проводу внутршнього шару.
Комплексний мiжшаровий опiр мiж найближчими витками в сусiднiх шарах розраховуеться за враху-ванням паралельного з'еднання активноi та емнiсноi складових:
ZM =-
1
+ j ■ 2 ■ п ■ f ■ Cmi
(2)
RM
де i — номер витка у обмотцi; Ям — активний отр iзоляцii мiж i-м витком та його найближчим витком у сусщньому шар^ який визначаеться характеристиками активноi про-вiдностi мiжшарового дiелектрику за рiзних частот, темпе-ратурних режимiв, напруженостi поля, тощо; / — частота струму прикладеноi до обмотки напруги 50 (60) Гц; См{ — емнiсть мiж ^м витком та його найближчим витком у сусщньому шарi; ] = Л.
Активнi складовi мiжшарового опору е значними й ними, зазвичай, можна нехтувати. бмносп См{ можна розраховувати за формулою:
1
С
См = N - (3)
де N — юльюсть виткiв у зовнiшньому з двох шарiв обмотки, що розглядаються.
Поздовжнi комплекснi витковi опори мiж Zв(k)Lnk визначаються за [5], чисельними методами, або в ш-ший спосiб.
Якщо розглядати складовi Zв(k)Cщ — мiжвитко-вих комплексних опорiв eмнiсноi гiлки — на частой 50 (60) Гц, можна бачити, що щ опори е суттево бшь-шими OПOрiв iндуктивн0i гшки Zв(k)Lnk, тому практично не впливають на формування розподiлу напруги по витках в режимi холостого ходу, осюльки, зазвичай, мiжвитковi емностi в одному шарi не перевищують юлькох пiкофарад [9]. Тому, за частоти 50 (60) Гц, пропонуеться нехтувати складовими Zв(k)Cщ, яю показан на рис. 2.
Розрахунки електричного поля (для амплиудного значення робочоi напруги и = 26,87 ■ sin(100 ■ п ■ £) кВ високовольтного автотрансформатора напруги) викону-вались в програмному пакет Comsol Multiphysics (вiсе-симетрична модель) з метою визначення максимально допустимоi напруженост поля та зарядiв на проввдних частинах обмотки. В цiй моделi заземлюваний екран обмотки виконаний на дiелектричному каркасi дiаметром 81 мм, що ввдповщае фактичному виконанню високо-вольтного вимiрювального автотрансформатора напруги класу 10 кВ.
6. Результати дослщжень
За результатами моделювання обмотки високо-вольтного автотрансформатора напруги, у вщповщносп до рис. 2 та формул (1)-(3), були одержанi значення струмiв у витках при кiлькостi витюв у шарах 250, кiлькостi шарiв 100, товщинi iзоляцii 0,25 мм та и ввд-носнiй дiелектричнiй проникностi е = 2, мшмальному радiусi R1 першого шару витюв 43 мм та дiаметрi проводу 0,224 мм.
Структура одержаного в результата розрахунюв розпо-дiлу емнiсних струмiв по шарах обмотки високовольтного автотрансформатора напруги пояснена на рис. 3.
На рис. 3 представлеш дiаграми мiжшарових емшс-них струмiв для останнього (100-го, високовольтного), середнього (50-го) та першого (низьковольтного) шарiв обмотки високовольтного автотрансформатора напруги. Можна бачити, що, осюльки, для середнього шару обмотки загальний сумарний емтсний струм, який втжае у витки з зовшшнього шару дорiвнюе струму, що витжае у витки внутршнього шару (внаслщок рiвностi градiен-тiв напруг по вщношенню до сусiднiх зовшшнього та внутршнього шарiв), одержуемо вздовж витюв шару всередиш обмотки симетричний вщносно його центру розподiл штегральних поздовжнiх емнiсних струмiв у кожному витку (рис. 3, б). Струми, що втжають у зов-тшнш (100-й, високовольтний) шар обмотки, формуються градiентом напруг вiд нуля до рiзницi потенцiалiв мiж крайнiми витками цього шару, а струми, яю витжають з цього шару, формуються градiентами напруг вiд нуля до подвiйноi рiзницi потенцiалiв мiж крайшми витками одного шару (рис. 3, а). За розрахунками, результуючий емшсний струм, який перетiкае вздовж витюв обмотки з одного шару в шший мiж витками з найменшою рiзни-цею потенцiалiв, дорiвнюе сумарному емшсному струму мiж двома зовтштми (100-м та 99-м) шарами обмотки.
На вщмшу вiд останнього високовольтного шару обмотки, емшсш струми мiж витками першого шару та низьковольтним екраном формуються градiентом напруг, що змшюеться вiд рiзницi потенцiалiв мiж крайнiми витками у шарi до нуля (рис. 3, в). А струми, яю затжають в цей останнiй шар з зовшшнього, формуються градiентом напруг вщ нуля до подвiйноi рiзницi потенцiалiв мiж крайнiми витками одного шару. Крiм цього, враховуеться поздовжнiй емтсний струм, який перетжае з останнього витка другого шару в перший виток першого шару. Вна-слщок того, що струми, яю затiкають в цей перший (низько-вольтний) шар обмотки, сумарно перебшьшують струми, якi з нього витжають на низьковольтний екран, в цьому шарi емнiснi струми не зменшуються до нульових значень, як у високовольтному шарi обмотки (рис. 4), внаслщок поздовжнього емшсного струму в обмотщ.
Поздовжнiй емнiсний струм в обмотщ автотрансформатора напруги вiдрiзняеться по шарах внаслщок того, що при переходi вщ першого до останнього (високовольтного) шару обмотки збшьшуеться мiжшарова емнiсть (тому на рис. 3 зменшуються вщповщт значення по вкях ординат).
а
в
Рис. 3. Разпадш р1зницевих м1жшаравих Емшсних струмiв для р1зних шар1в обмотки високовольтного автотрансформатора напруги: а — струми для витшв останнього (зовшшнього, 100-го) високовольтного шару; б — струми для витшв 50-го шару всередиш обмотки; в — струми для витшв першого (низьковольтного) шару По в1сях абсцис вщкладеш номери витшв; по в1сях ординат — результуюч1 Емшсш струми (в амперах) — р1знищ Емшсних струм1в, що втшають у виток (з1 знаком «+») та вит1кають з нього (з1 знаком «—»)
Рис. 4. Розподш Емшсних струмiв по витках першого, 50-го та 100-го шарiв обмотки. На вш абсцис вiдкладенi номера виткiв у шар^ починаючи вiд витка з найбшьшим потенцiалом; на вiсi ординат вщкладеш значення Eмнiсного струму (в амперах), що протiкаE у вщповщному витку
В результатi, за розрахунками eмнiсних струмiв схеми замiщення за рис. 2 одержуемо розподiлення цих струмiв у шарах (за номерами 1; 50; 100) обмотки автотрансформатора напруги, як представлен на рис. 4.
На рис. 4 показан одержат графiчнi залежност1 емнiсного струму у витках з вщповщними номерами у шар^ починаючи з витка з найбшьшим потеншалом.
Як можна бачити з рис. 4, струми у першому та остан-ньому шарах обмотки, на ввдмшу ввд струмiв у середнiх шарах обмотки, розподшяються несиметрично вiдносно середини шару. Крiм цього, емнiснi струми у низько-вольтному шарi обмотки, який е найближчим до зазем-леного екрану обмотки, не зменшуються до нульового значення, причому струми у середшх шарах наближуються в середиш шару до мШмальних значень зi збiльшенням радiусу шару. Наслiдком такого розподiлу емшсних струмiв в обмотцi високовольтного автотрансформатора напруги е нелшшний розподiл додаткового (ввд емшсно! складо-во! струму) спадання напруги у кожному шарi обмотки. При цьому, оскшьки низьковольтна (вихвдна) частина обмотки високовольтного автотрансформатора напруги розташовуеться саме в тих шарах, що е найближчими до стрижня, нелшшний розподш емшсних складових спадання напруги вздовж перших (низьковольтних) ша-рiв обмотки автотрансформатора напруги може суттево впливати на коефщент масштабного перетворення даного автотрансформатора напруги.
Якщо емшсш струми мають значення порядку струму холостого ходу високовольтного автотрансформатора напруги, !х вплив на загальний розподш напруги по витках обмотки може бути суттевим i повинен враховуватись при розрахунках високовольтних автотрансформаторiв напруги, призначених для вимiрювань високих напруг з високою точшстю. Даний вплив емшсних струмiв може розглядатись як фактор вторинного порядку по вщношенню до струмiв холостого ходу високовольтного автотрансформатора напруги.
Шдсумовуючи результати розрахунюв, можна вщзна-чити, що розподш емшсних струмiв вздовж витшв кожного шару обмотки високовольтного автотрансформатора напруги е нелшшним. Величина цього струму залежить вщ емшсного струму мiж сусiднiми шарами обмотки. Перший та останнш шари обмотки суттево вiдрiзняються вiд середшх шарiв обмотки за розподiлом емшсних стру-мiв вздовж шару, тому, при розташуванш виткiв вихщно! частини обмотки в першому шар^ одержуемо спадання напруги на нш, яке вiдрiзняеться вiд «середньозважено-го» спадання напруги, викликаного протжанням емшсно! складово! струму вздовж iнших частин обмотки.
7. SW0T-аналiз результат1в дослщжень
Одержан результати дослiджень е новими для розроб-ки та створення високоточних високовольтних масштаб-них перетворювачiв напруги автотрансформаторного типу.
До переваг розробленого в робоп шдходу оцiнювання емшсно! складово! струму в обмотцi високовольтного автотрансформатора напруги слвд вiднести його достатню простоту в обчисленш за приведеною схемою замщення та можлившть оцiнювання впливу емнiсних струмiв в обмотш на точнiсть масштабного перетворення напруги на стади проектування високовольтного автотрансформатора напруги. Розраховаш значення емшсних струмiв можуть бути використаш для створення деталiзованоi векторно! дiаграми напруг i струмiв в обмотш високовольтного автотрансформатора напруги. Це мае особ-ливий сенс при розробш прецизшних високовольтних автотрансформаторiв напруги клаав точностi 0,1 або бшьш точних, а також при проектуванш високовольтних автотрансформаторiв напруги на класи напруг 110 кВ i вище без використання каскадних конструкцiй.
Недолшом запропонованого пiдходу е те, що спро-щення, запропонованi в роботу не враховують того, що фактична мiжшарова емнiсть, розрахована чисельними методами, дещо вiдрiзняеться вiд визначено! за формулою (1), особливо, при значних вщношеннях дiаметру обмоткового проводу до товщини мiжшаровоi iзоляцii обмотки. Крiм того, що мiжшарова емшсть вiдрiзняеться фактично для рiзних шарiв, також змiнюеться кiлькiсть виткiв у шарi зi збiльшенням його радiусу, тому для бiльш точних розрахунюв необхiдно ускладнювати процедуру розрахункiв, у вщповщност до схеми замiщення рис. 2. Також, слщ вiдзначити, що запропонований шдхщ не призначений для розрахунку частотних характеристик високовольтного автотрансформатора напруги, оскшьки його основне призначення — визначення впливу емшсних струмiв на розподш напруги по витках на робочш частот! автотрансформатора напруги в режимi холостого ходу.
Для бшьш точного врахування впливу емшсних струмiв на частой 50 (60) Гц на розподш напруги по витках обмотки високовольтного автотрансформатора напруги, пропонуеться деталiзовувати схему замщення обмотки у вщповщност до рис. 2, враховуючи актив-ш та шдуктивш спадання напруг по витках обмотки, розраховаш у вщповщност до [5], виконувати моде-лювання та чисельш розрахунки методом скшченних елеменпв розподшу напруженостi поля мiж шарами обмотки, розподшу зарядiв на поверхнях окремих витшв обмотки, за якими бшьш точно визначати розподшеш
та зосередженi мiжшаровi емносп обмотки високовольтного автотрансформатора напруги. В загальному ви-падку необхiдно враховувати струми у навантаженш високовольтного автотрансформатора напруги.
Iснуючi методи визначення частотних характеристик високовольтних трансформаторiв напруги можуть бути лише частково використаш для визначення характеристик високовольтних автотрансформаторiв напруги, осюльки обмотки високовольтних трансформаторiв напруги не мають безпосереднього електричного зв'яз-ку. Методи, розглянут в [4, 6-10] створювались для визначення розподiлу напруг вздовж витюв обмоток трансформаторiв у найбшьш небезпечних режимах '¿х роботи — при перехщних процесах в обмотках, тому '¿х неефективно використовувати для визначення цього роз-подiлу на частот 50 (60) Гц. Саме тому, представлений в робот тдхщ е найбiльш прийнятним для розрахунюв характеристик високовольтних автотрансформаторiв напруги в основних режимах його роботи.
8. висновки
1. В роботi визначено, що мiжвитковi та мiжшаровi емносп обмотки, разом з активними мiжвитковими та мiжшаровими провiдностями й власними та взаемними шдуктивностями виткiв високовольтного автотрансформатора напруги створюють складну розподiлену систему контурiв, яка на частой 50 (60) Гц може викликати появу в цш обмотщ суттевих емшсних струмiв.
2. В робот запропоновано використовувати схему замщення типовоï цилiндричноï обмотки високовольтного автотрансформатора напруги, яка враховуе змшюваш по шарах розподшеш мiжвитковi та мiжшаровi емностi мiж сусiднiми витками, параметри шдуктивних гiлок виткiв обмотки та розподшеш мiжвитковi й мiжшаровi активнi провiдностi iзоляцiï.
3. Запропоновано чисельно розраховувати розподшеш емшсш параметри обмотки високовольтного автотрансформатора напруги та за наведеними в робот формулами перетворювати розраховаш розподшеш параметри в зосереджеш. Зосереджеш параметри актив-них та шдуктивних складових опорiв запропоновано розраховувати за вже кнуючими пiдходами.
4. Шляхом виконаних розрахунюв визначено, що за частоти 50 (60) Гц емшсна складова струмiв в обмотщ високовольтного вшшрювального автотрансформатора напруги класу 10 кВ е значно бшьшою за активну складову та може досягати одного порядку зi струмом холостого ходу При цьому, шдуктивш складовi гшок схеми замщення формують основний розподш напруги по обмотцi й, ввдповщно, задають напрямки протiкання емшсних струмiв в обмотцi, якi можна розглядати як фактори вторинного впливу в формуванш розподшу напруги по витках обмотки.
5. За виконаними розрахунками параметрiв обмотки високовольтного автотрансформатора напруги класу 10 кВ на частой 50 Гц визначено нелшшний характер розподшу емшсних струмiв вздовж витюв шарiв обмотки, а також рiзний характер цього розподiлу для першого, останнього та середшх шарiв обмотки. Одержанi результати дозволя-ють зробити висновок про необхiднiсть врахування емшс-них струмiв при розрахунках юлькост та розташування виткiв вихiдноï частини обмотки високоточних високовольтних вимiрювальних автотрансформаторiв напруги.
Л1тература
1. Васютинский, С. Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов [Текст] / С. Б. Васютинский. — Л.: Энергия, 1970. — 432 с.
2. Hoer, C. A. A 2:1 ratio inductive voltage divider with less than 0.1 ppm error to 1 MHz [Text] / C. A. Hoer, W. L. Smith // Journal of Research of the National Bureau of Standards, Section C: Engineering and Instrumentation. — 1967. — Vol. 71C, № 2. — P. 101-109. doi:10.6028/jres.071c.012
3. Avramov-Zamurovic, S. Binary versus decade inductive voltage divider comparison and error decomposition [Text] / S. Avramov-Zamurovic, G. N. Stenbakken, A. D. Koffman, N. M. Oldham, R. W. Gammon // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. — 1995. — Vol. 44, № 4. — P. 904-908. doi:10.1109/19.392879
4. Никонец, Л. А. Распределение воздействующих на трансформатор напряжений вдоль обмотки ВН [Текст] / Л. А. Никонец, И. Р. Бучковский, Р. В. Бучковский, В. П. Венгер, В. П. Венгер, А. Л. Никонец, М. Б. Сабат // Электрические станции. — 2014. — № 2. — С. 51-56.
5. Бржезицький, В. О. Розрахунок шдуктивносп розсшвання обмоток високовольтних трансформаторiв напруги за допомо-гою програм, що використовують метод скшченних елемен-■пв [Текст] / В. О. Бржезицький, Я. О. Гаран, О. М. Десятов // Техшчна електродинамжа. — 2014. — № 4. — С. 61-63.
6. Saied Mohamed, M. An Analytical Method for the Analysis of Transformer Windings Having Non-Uniform Capacitance Distribution [Text] / M. Saied Mohamed // Journal of Power Electronics and Power Systems. — 2015. — Vol. 5, № 2. — P. 41-54.
7. Saied Mohamed, M. The Transient Response and Frequency Characteristics of Power Transformers Having Non-Uniform Winding Insulation [Text] / M. Saied Mohamed // Journal of Power Electronics and Power Systems. — 2014. — Vol. 4, № 1. — P. 37-52.
8. Gomez, P. Impulse-Response Analysis of Toroidal Core Distribution Transformers for Dielectric Design [Text] / P. Gomez, F. de Leon, I. A. Hernandez // IEEE Transactions on Power Delivery. — 2011. — Vol. 26, № 2. — P. 1231-1238. doi:10.1109/tpwrd.2010.2087043
9. Popov, M. Analysis of Very Fast Transients in Layer-Type Transformer Windings [Text] / M. Popov, L. van der Sluis, R. P. P. Smeets, J. Lopez Roldan // IEEE Transactions on Power Delivery. — 2007. — Vol. 22, № 1. — P. 238-247. doi:10.1109/tpwrd.2006.881605
10. Dalessandro, L. Self-Capacitance of High-Voltage Transformers [Text] / L. Dalessandro, F. da Silveira Cavalcante, J. W. Ko-lar // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2007. — Vol. 22, № 5. — P. 2081-2092. doi:10.1109/tpel.2007.904252
АНАЛИЗ ЕМКОСТНЫХ ТОКОВ В ОбМОТКЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО АВТОТРАНСФОРМАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
Проанализировано распределение емкостных токов в витках многослойных обмоток высоковольтных автотрансформаторов напряжения. Выявлено различие распределения емкостных токов для первого слоя витков и всех остальных слоев обмотки. Предложен метод учета влияния емкостных токов в обмотке высоковольтного автотрансформатора напряжения на распределение общего падения напряжения по виткам обмотки.
Ключевые слова: автотрансформатор напряжения, емкостный ток, падение напряжения, межслоевая емкость.
Бржезицький Володимир Олександрович, доктор техтчних наук, професор, виконувач обов'язтв завГдувача кафедри технжи i електрофiзики високих напруг, Нащональний техтчний утвер-ситет Украти «Кигвський полтехтчний iнститут», Украта, e-mail: brzhezitsky@mail.ru.
Гаран Ярослав Олександрович, тженер II категорп, кафедра техтки i електрофiзики високих напруг, Нащональний техтчний утверситет Украти «Кигвський полтехтчний iнститут», Украта, e-mail: garan@ua.fm.
Бржезицкий Владимир Александрович, доктор технических наук, профессор, исполняющий обязанности заведующего кафедрой техники и электрофизики высоких напряжений, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина.
Гаран Ярослав Александрович, инженер II категории, кафедра техники и электрофизики высоких напряжений, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический, Украина.
Brzhezytskyi Volodymyr, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: brzhezitsky@mail.ru. Haran Yaroslav, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: garan@ua.fm
