CC BY
202
m Энергетика
Ses Power Engineering
Оригинальная статья / Original article УДК: 621.311
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-114-121
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА БРОСОК ТОКА НАМАГНИЧИВАНИЯ
© А.С. Афанасенко1, Г.С. Кудряшев2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Резюме. Цель. В электроэнергетике непрерывно идет процесс замены электроэнергетического оборудования. Возникает задача сравнения и оценки влияния технических характеристик силовых трансформаторов на бросок тока в контуре намагничивания, возникающего при включении трансформатора под напряжение, а также влияние броска тока на электромагнитные переходные процессы, на электроэнергетическое электрооборудование систем, устройства релейной защиты и автоматики. Материал. Для разных поколений трансформаторов по вычисленным параметрам контура намагничивания силового трансформатора можно определить критерии, позволяющие качественно сравнивать влияние технических характеристик силового трансформатора на длительность затухания переходного процесса в контурах намагничивания трансформаторов при замене. Результаты и их обсуждение. Предлагается использовать тангенс угла между напряжением, поданным на контур намагничивания, и падением напряжения на индуктивности контура в качестве показателя потерь запасенной в индуктивности энергии на активном сопротивлении контура. Заключение. Получены критерии, характеризующие потери в контуре намагничивания и позволяющие оценить их влияние на бросок тока намагничивания трансформатора при включении под напряжение.
Ключевые слова: ток намагничивания, контур намагничивания, добротность, бросок тока намагничивания, переходные процессы, тангенс угла потерь.
Формат цитирования: Афанасенко А.С., Кудряшев Г.С. Сравнительный анализ технических характеристик силовых трансформаторов и их влияние на бросок тока намагничивания // Вестник ИрГТУ. 2016. № 6. С. 114-121. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-114-121
COMPARATIVE ANALYSIS OF POWER TRANSFORMER TECHNICAL SPECIFICATIONS AND THEIR INFLUENCE ON MAGNETIZING INRUSH CURRENT A.S. Afanasenko, G.S. Kudryashev
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia
Abstract. Purpose. The process of replacing power-generating machinery is continuous in electric power industry. It raises the problem of comparison and evaluation of the effect of power transformer technical specifications on the inrush current in the magnetizing circuit occurring when a transformer is energized, as well as the influence of the inrush current on electro-magnetic transients, electrical equipment of systems, relay protection and automation devices. Material. It is possible to determine the criteria enabling the qualitative comparison of the effect of power transformer specifications on transient decay duration in magnetizing circuits under transformer replacements for different generations of transformers on the basis of calculated parameters of the power transformer magnetizing circuit. Results and their discussion. It is proposed to use the tangent of the angle between the voltage applied to the magnetizing circuit, and the voltage drop across the circuit inductance as a loss index of the energy stored in the inductor on the circuit active resistance. Conclusion. Criteria that characterize the losses in the magnetizing circuit and allow to evaluate their effect on the magnetizing inrush current of the transformer when the last is being energized have been obtained.
Keywords: magnetizing current, magnetization circuit, quality factor, magnetizing inrush current, transients, loss angle tangent
Афанасенко Александр Семёнович, аспирант кафедры электрических станций, сетей и систем, e-mail: afanasenko_al@mail.ru
Afanasenko Alexander, Postgraduate Student of the Department of Electric Stations, Networks and Systems, e-mail: afanasenko_al@mail.ru
2Кудряшев Геннадий Сергеевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электрических станций, сетей и систем, e-mail: kudryashev@list.ru
Kudryashev Gennadiy, Doctor of Engineering sciences, Professor, Professor of the Department of Electric Stations, Networks and Systems, e-mail: kudryashev@list.ru
For citation: Afanasenko A.S., Kudryashev G.S. Comparative analysis of power transformer technical specifications and their influence on magnetizing inrush current. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 6, pp. 114-121. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-114-121
Введение
В электроэнергетике непрерывно идет процесс замены и реконструкции электроэнергетического оборудования, разработанного и произведенного в различные временные периоды. В разработку и производство электроэнергетического оборудования заложены передовые методики, опыт и материалы, сконцентрировавшие лучшие достижения энергомашиностроения прошлого и настоящего времени. Многое оборудование внедряется впервые, нарабатывается опыт его эксплуатации.
На рынке электрооборудования, начиная с 90-х годов, предлагается оборудование различных производителей, созданное на базе современных научных достижений с применением новейших технологий и материалов. Российское производство не в состоянии обеспечить потребности в современном оборудовании в должном объеме, поэтому спрос часто удовлетворяется за счет зарубежного производителя. Таким образом, в эксплуатации находится оборудование различных отечественных и иностранных производителей с отличающимися техническими характеристиками.
Сравнение технических характеристик
Возникает задача сравнения и оценки влияния технических характеристик применяемых силовых трансформаторов на работу энергосистемы, на переходные процессы в различных эксплуатационных режимах работы, а также на работу устройств релейной защиты и автоматики.
Предлагается сравнить технические характеристики двух групп однофазных блочных трансформаторов, работающих в блоке с двумя гидрогенераторами по 82,8 МВт:
1) группа трансформаторов ЗхОЦГ-70000/121/л/э /13,8/13,8 мощностью 3х70 МВА, изготовленных и введенных в эксплу-
атацию в 1958 году;
2) группа трансформаторов ЗхОДЦ-
80000/121/л/э /13,8/13,8 мощностью 3х80 МВА, изготовленных и введенных в эксплуатацию в 2007 году.
По заводским техническим характеристикам напряжения короткого замыкания () трансформаторы идентичны, т.е. уровень тока короткого замыкания (КЗ) на шинах 110 кВ распределительного устройства после замены трансформаторов практически не изменился. Остальные технические параметры трансформаторов существенно отличаются. Сравнение технических характеристик трансформаторов представлено в табл. 1.
По паспортным данным завода-изготовителя трансформаторов рассчитаны значения активной я и реактивной X
составляющих сопротивления контура намагничивания трансформаторов в Т-образной схеме замещения (рис. 1). Вычисленные параметры представлены в табл. 2.
Данные табл. 2 рассчитаны по известным выражениям [1]. Так, активное сопротивление контура намагничивания трансформатора
R — ^хх J- V
[Ом];
1 ХХ
ток холостого хода трансформатора
J — 'ХХ ХХ 100%
Iном [А ];
реактивное сопротивление контура намагничивания трансформатора
К - К [Ом] ;
полное сопротивление контура намагничивания трансформатора
Таблица 1
Таблица сравнения параметров трансформаторов по характеристикам завода-изготовителя («Производственный комплекс ХК «Электрозавод»)
Table 1
A comparison table of transformer parameters by the specifications of the producing plant _(Industrial complex of OJSHC "Elektrozavod")_
Характеристика / Specification Тип трансформатора / Type of a transformer Отношение параметров столбца 2 к параметрам столбца 3 / Ratio of column 2 parameters to column 3 parameters
ОЦГ-70000/ 121/^3 /13,8/13,8 (1958 г.) 0ДЦ-80000/ 121/л/э /13,8/13,8 (2007 г.)
*ХХ, % 2,3 0,27 8,5
AP^, кВт 127 38 3,34
APK3, кВт 302,3 252 1,2
и кз, % 10,9 11,7 0,93
Uном.ВН7 кВ 121/>/э 121/л/3 1
uhom.HH 7 КВ 13,8 13,8 1
Т А ном.ВН , А 1001 1145,2 0,874
1ном..НН 7 2535 2898 0,874
г,
z„
Рис. 1. Т-образная схема замещения трансформатора Fig. 1. Transformer equivalent t-circuit
7 -Uo
[Ом] ;
ХХ
постоянная времени контура намагничивания трансформатора
X..
т =
__м
aR
[с].
Параметры трансформаторов, влияющие на переходные процессы, значительно разнятся. Так, постоянная времени контура намагничивания т у трансформа-
тора ОДЦ-80000 кВА в 2,22 раза меньше, чем у трансформатора ОЦГ-70000 кВА, и составляет 0,018 с (см. табл. 2). В результате его магнитопровод при включении на холостой ход насыщается быстрее, и индукция достигает максимума быстрее, чем у трансформатора ОЦГ-70000 кВА.
Броски тока намагничивания возникают при включении трансформатора под напряжение. При определенных условиях броски тока возникают при включении
Таблица 2
Параметры трансформаторов, вычисленные по техническим характеристикам
Table 2
_Transformer parameters calculated by specifications_
Характеристика / Specification Тип трансформатора / Type of a transformer
0ЦГ-70000/121/л/з /13,8/13,8 0ДЦ-80000/121/ л/3 /13,8/13,8
R , Ом 239,6 3973
Х„, Ом 3029,2 22264
!хх , А 23,023 3,093
Q = XИ / R 12,634 5,604
т = Хи /(оЯи), с 0,04 0,018
tgS, % 7,915 17,844
LM, Гн 9,647 70,904
1ХХВ 5516,31 12280,54
1ХХВ 69741,27 68818,02
трансформатора в сеть с нагрузкой, а также в режиме короткого замыкания и в других переходных режимах электрической сети [2]. При этом возможно ложное срабатывание дифференциальных защит трансформатора, шин и др. Возникает индуцированный бросок тока намагничивания на соседних, находящихся в работе трансформаторах, включенных и работающих на общие шины одного распределительного устройства (РУ) [2].
Амплитуда броска тока намагничивания зависит:
1) от фазы включения;
2) от остаточной намагниченности сердечника;
3) от значения потокосцепления в точке излома характеристики намагничивания;
4) от наклона характеристики намагничивания в области насыщения.
Бросок тока намагничивания снижается в 1,5-2 раза в случае, если трансформатор включается в сеть со стороны высокого напряжения, а не со стороны низкого напряжения, так как обмотка низкого напряжения расположена ближе к сердечнику. При полном насыщении сердечника трансформатора его магнитная проницае-
мость приближается к магнитной проницаемости воздуха. Остаточная индукция В -один из самых неопределенных параметров, сильно зависящий от предшествующего режима трансформатора, качества материала магнитопровода.
Апериодическая составляющая броска тока в контуре намагничивания трансформатора ОДЦ-80000 кВА будет затухать в 2,22 раза быстрее по сравнению с трансформатором ОЦГ-70000 кВА (см. табл. 2), что не окажет значительного влияния на переходные процессы.
Затухание периодической составляющей броска тока намагничивания трансформатора ОДЦ-80000 кВА также отличатся от трансформатора 0ЦГ-70000 кВА. Темп затухания пиков тока периодической составляющей броска тока намагничивания у трансформаторов не остаeтся постоянным и со временем значительно снижается. Процесс затухания не подчиняется апериодическому закону [3].
Затухание пиков периодической составляющей броска тока намагничивания связано, в основном, с потерями энергии магнитного поля, запасенной в магнитопро-воде. По данным табл. 2, активное сопротивление контура намагничивания транс-
форматора 0ДЦ-80000 кВА на порядок выше, следовательно, процесс затухания ускорится во времени. Закон изменения броска периодической составляющей тока намагничивания существенно отличается от экспоненциального количественно и по форме [3].
Остаточная индукция В в магнито-
проводе трансформатора зависит от предшествующего режима трансформатора, конструкции, материала и качества сборки магнитопровода. У современных трансформаторов магнитопроводы изготовлены по современным технологиям без крепежных металлоконструкций со стяжкой ярма и стержней магнитопровода стеклобандаж-ной лентой, пропитанной компаундом, и последующим запеканием. Такая конструкция позволяет значительно сократить активные потери в магнитопроводе, снизить ток холостого хода, повысить номинальную индукцию [2].
Остаточная индукция В в магнито-
проводе достигает возможного максимума при отключении трансформатора с активной нагрузкой, когда ток и напряжение совпадают по фазе и отключение происходит при их переходе через ноль. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции синусоида магнитной индукции в сердечнике достигает максимума и отстает на угол 90° от тока и напряжения. Последующее включение на холостой ход трансформатора будет сопровождаться макси-
мально возможным броском тока намагничивания при неблагоприятном знаке апериодической составляющей тока включения [2]. При индуктивной (емкостной) нагрузке трансформатора остаточная индукция В будет соответствовать возможному минимуму, а в нагрузочных режимах и в режиме короткого замыкания она не достигает максимума [2].
Необходимо также учитывать, что в эксплуатации в соответствии с требованиями «Объемов и норм испытаний электрооборудования» (РД 34.45-51.300-97) трансформаторы периодически подвергаются профилактическим испытаниям. В результате испытаний сердечник может быть намагничен от постороннего источника постоянного тока как до величины остаточной индукции, так и выше нее. В худших условиях в данном случае оказывается трансформатор с меньшим током холостого хода, т.е. ОДЦ-80000 кВА (см. табл. 1) [4]. Предлагаемые критерии, характеризующие потери в контуре намагничивания
Критерии затухания периодической составляющей тока в контуре намагничивания трансформатора покажем через характеристики потерь энергии в контуре намагничивания. Такими характеристиками являются добротность контура Q и тангенс угла 5 [5]. Схема контура намагничивания трансформатора представлена на рис. 2.
и,
-£ J—
X R
ß ß
--
ит
L ^ R
Рис. 2. Схема замещения контура намагничивания трансформатора: U - напряжение питающей сети; ! /, - падение напряжения на индуктивном сопротивлении контура; I I,, - падение напряжения на активном сопротивлении контура; L - индуктивность контура; R, - активное сопротивление
контура; I хх - ток холостого хода (намагничивания) Fig. 2. Equivalent circuit of the transformer magnetizing circuit: U - mains voltage; I /, - voltage drop across circuit inductance; ÙR - voltage drop across circuit resistance; Lu - inductance; Ru - active resistance
of the circuit; I xx - no-load current (magnetizing)
Индуктивности контуров намагничивания трансформаторов вычислены на основной частоте по формуле ^=Х /о
(табл. 2). Видно, что индуктивность контура
намагничивания LfJ трансформатора 80 МВА больше, чем у трансформатора 70 МВА, в 7,35 раза.
По второму закону Кирхгофа падение напряжения на участках цепи намагничивания трансформатора (рис. 2)
U = UR+UL = IjxRm + IxxJXju = = + îxxJO'-u = Ax (Ru + J(»Lu ) •
(1)
По уравнению (1) построена векторная диаграмма (рис. 3).
—
tgö, % = 100% .
X.
(3)
Таким образом, tgS показывает долю рассеянной энергии на активном сопротивлении контура от запасенной энергии в индуктивности контура намагничивания, выраженной в процентах.
Обозначим добротность Q контура намагничивания на рис. 3 как отношение реактивной мощности ^, генерируемой
индуктивностью ь контура, к активной
мощности р , рассеиваемой на активном
сопротивлении я контура [5], [6], [7]:
R
XX
Рис. 3. Векторная диаграмма контура намагничивания трансформатора Fig. 3. Vector diagram of the transformer magnetizing circuit
Из векторной диаграммы (рис. 3) потери энергии на активном сопротивлении контура я, отнесенные к энергии, запасенной в индуктивности ь контура намагничивания, выражаются через тангенс угла 8 между II у\йь [5]:
tgö = = = -,= А_ (2)
g UL 1Ж XM XM oL, "
Как правило, потери оцениваются в процентах, тогда
Q = = P,,
UJxx _ X,
U-1ХХ
= —. (4)
—
Сравнивая полученные выражения (2) и (4), получим:
q = -L = X,. Q tgö -
(5)
Добротность показывает, во сколько раз реактивное сопротивление контура больше активного. Добротность Q является величиной, обратной tgS.
Закон Ленца характеризует понижение создаваемого источником напряжения и тока в контуре намагничивания за счет ЭДС , генерируемой индуктивностью
контура и противодействующей току в контуре (рис. 3). Напряжение и контура намагничивания трансформатора (рис. 2) определяется дифференциальным уравнением:
u = ixxRß + (~es ) = iххRß + Lß ^ ■ (6)
Подаваемое синусоидальное
напряжение и на контур расходуется на падение напряжения и на уравнива-
div
ние ЭДС обмотки е„ = -Ь .
8 м Л
Чем ниже добротность контура и больше его индуктивность (соответственно, выше ЭДС контура), тем меньше ток в контуре намагничивания (), т.е. за счет индуктивности £ ограничивается бросок тока. Это характерно для трансформатора 80 МВА.
Доля рассеиваемой энергии на активном сопротивлении контура намагничивания трансформатора 80 МВА ( tg5 = 17,84%) больше, чем у трансформатора 70 МВА (^5 = 7,915%). Затухание периодической составляющей броска тока намагничивания при включении происходит в 2,22 раза быстрее (табл. 2), т.е. чем больше значение tg5, тем быстрее затухает периодическая составляющая тока намагничивания. Падение напряжения на активном сопротивлении контура намагничивания трансформатора 80 МВА больше, чем у трансформатора 70 МВА, в 2,23 раза. Значения ЭДС обмотки трансформатора 80 МВА ниже в 0,987 раза (табл. 2). По уравнению (6) амплитуда броска тока намагничивания трансформатора 80 МВА меньше, чем у трансформатора 70 МВА.
Таким образом, принятые критерии позволяют сравнивать и оценивать влия-
ние трансформаторов на переходные процессы в энергосистеме. Кроме того, они дают возможность сравнить, насколько эффективно используются материалы активной части трансформатора, тем самым косвенно оценить уровень магнитной индукции в магнитопроводе. В результате сравнения видно, что трансформатор ОДЦ-80000 кВА по эксплуатационным, технико-экономическим показателям превосходит трансформатор ОЦГ-70000 кВА.
Заключение
1. Трансформаторы, изготавливаемые в последнее время, имеют меньшую постоянную времени контура намагничивания, вследствие чего при включении под напряжение при прочих равных условиях они оказывают меньшее возмущающее воздействие на режим энергосистемы. Продолжительность переходных процессов сокращается во времени.
2. Качество и характеристики материалов, применяемых в последнее время, обеспечивают рабочую индукцию в магнитопроводе на уровне 2 тесла (Тл). Последние технические решения в конструкциях магнитопроводов силовых трансформаторов позволяют с большей эффективностью использовать железо магнитопровода. По этой причине масса и габаритные размеры современных трансформаторов меньше, чем у ранее выпускавшихся трансформаторов той же мощности. Таким образом, современное оборудование имеет существенно лучшие технико-экономические характеристики, чем оборудование прошлых поколений.
3. Затухание переходного процесса при бросках тока намагничивания мощных трансформаторов оценивается добротностью контура намагничивания и тангенсом угла между напряжением сети и напряжением на индуктивности контура намагничивания. Переходный процесс затухает быстрее при понижении добротности контура Q и повышении тангенса угла 5, что характерно для современных трансформаторов.
1. Вольдек А.И. Электрические машины. 3-е изд., перераб. Л.: Энергия, 1978. 832 с
2. Силовые трансформаторы. Справочная книга / под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина. М.: Энерго-издат, 2004. 616 с.
3. Лейтес Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. М.: Энергия, 1981. 389 с.
4. Объемы и нормы испытаний электрооборудования (РД 34.45-51.300-97). 6-е изд. М.: ЭНАС, 1998. 254 с.
кии список
5. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны: в 2 ч. М.: Советское радио, 1968. Часть 1: Основы радиотехники. 432 с.
6. Елагин В.Н., Лурье А.И., Панибратец А.Н. Броски тока включения трансформатора // Электротехника, 1997. № 2. С. 29-32.
7. Bertagnolli G. Short-circuit duty of power transformers. - The ABB Approach, Golinelli Industrie Grafiche, Italy, 1996. 190 s.
References
1. Vol'dek A.I. Elektricheskie mashiny [Electric machines]. Leningrad, Energiya Publ., 1978, 832 .p.
2. Lizunov S.D., Lokhanin A.K. Silovye transformato-ry. Spravochnaya kniga [Power transformers. Reference book]. Moscow, Energoizdat Publ., 2004, 616 p.
3. Leites L.V. Elektromagnitnye raschety transforma-torov i reaktorov [Electromagnetic calculations of transformers and reactors]. Moscow, Energiya Publ., 1981, 389 p.
4. Ob"emy i normy ispytanii elektrooborudovaniya (RD 34.45-51.300-97) [Norms and amounts of electric equipment testing (RD 34.45-51.300-97)]. Moscow, ENAS Publ., 1998, 254 p.
5. Belotserkovskii G.B. Osnovy radiotekhniki i anten-ny: v 2 ch. [Foundations of radio engineering and antennae]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1968, part 1: Osnovy radiotekhniki [Foundations of radio engineering]. 432 p.
6. Elagin V.N., Lur'e A.I., Panibratets A.N. Broski toka vklyucheniya transformatora [Transformer inrush current]. Elektrotekhnika - Electrical Engineering, 1997, no. 2, pp. 29-32.
7. Bertagnolli G. Short-circuit duty of power transformers: The ABB Approach, Golinelli Industrie Grafiche, Italy, 1996, 190 p.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 08.04.2016 г.
Conflict of interest
The authors declare no conflict of interest.
The article was received 08 April 2016
