Россия
Трансформаторы напряжения с емкостной нагрузкой при переходных процессах могут вызывать существенное искажение вторичного напряжения судовой сети. Для анализа используется известная нелинейная модель однофазного двухобмоточного трансформатора, в котором выполняется разбиение магнитного потока на «рабочий» и потоки рассеяния, сцепленные с отдельными обмотками, замыкающиеся вне сердечника. Для практических целей при применении таких трансформаторов важно знать как условия возникновения автопараметрических колебаний, так и динамику переходного процесса. Сравнительную оценку схем емкостного отбора мощности удобно выполнить на ЭВМ, позволяющей воспроизводить нелинейные характеристики и варьировать параметры в широких пределах, что затруднительно при физическом моделировании. Результаты исследования короткого замыкания за реактором в схеме конденсаторного отбора доказали, что короткое замыкание на выводах промежуточного трансформатора не воздействует на элементы верхнего плеча делителя напряжения, но существенно влияет на нижнее плечо делителя и компенсирующий реактор, в итоге появляются субгармоники. Доказано, что для исследования влияния переходных процессов (коротких замыканий) на элементах делителя напряжения удобна разработанная модель. Примененная модель универсальна для судовых электроэнергетических сетей и может быть использована как для емкостного, так и для индуктивного делителя. Смоделирована схема делителя с конкретными параметрами. Математические результаты проверены на физической модели, подтверждена корректность математической модели. Сделан вывод о том, что снижение фазного напряжения способствует уменьшению перенапряжения на элементах делителя при коротком замыкании за компенсирующим реактором схемы отбора мощности.
трансформатор, переходные процессы, конденсатор, реактор, перенапряжение, модель
Введение
Специфической особенностью схемы емкостного отбора мощности является наличие резонансного контура из емкости делителя и нелинейной индуктивности трансформаторного устройства. По этой причине трансформаторы напряжения с емкостной нагрузкой при переходных процессах могут вызывать существенное искажение вторичного напряжения, зависящее от параметров схемы, момента коммутации, вида возмущения, характера и величины вторичной нагрузки. При неблагоприятных соотношениях параметров в схеме трансформатора напряжения с емкостной нагрузкой возможен феррорезонанс [1]. Целью данной работы является разработка математической модели трансформатора для снижения фазного напряжения и уменьшения перенапряжения на элементах делителя при коротком замыкании (КЗ) в схеме.
Материалы исследования
Как свидетельствуют экспериментальные исследования емкостного делителя напряжения моделирующей установки (рис. 1), по степени воздействия можно рассматривать два типичных вида возмущений: малое – при включении схемы конденсаторного делителя напряжения под напряжение; большое – при отключении КЗ на выводах промежуточного трансформатора.
Рис. 1. Моделирующая схема емкостного отбора мощности
Fig. 1. Simulating circuit of capacitive power take-off
Анализ переходного процесса при малых возмущениях необходим для определения величины и длительности искажения вторичного напряжения, а при больших – для предупреждения, прежде всего, устойчивого феррорезонансного режима. Вольт-амперная характеристика реактора (рис. 2) главным образом влияет на начальные условия переходного процесса при больших возмущениях, поскольку величина тока КЗ зависит от степени нелинейности компенсирующей индуктивности.
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика
компенсирующего реактора
Fig. 2. Volt-ampere characteristic of a compensating reactor
Резонансные свойства на холостом ходу в основном определяются соотношением вольт-амперных характеристик промежуточного трансформатора делителя, поэтому важно отметить правильность выбора схемы замещения трансформатора для исследования переходных процессов.
Результаты исследования
В основу известной нелинейной модели однофазного двухобмоточного трансформатора [2] положено разбиение магнитного потока на «рабочий», общий для обеих обмоток, замыкающийся по стальному сердечнику, и потоки рассеяния, сцепленные с отдельными обмотками, замыкающиеся вне сердечника. Построенная по этой модели Т-образная схема замещения удовлетворительно отражает нормальные нагрузочные режимы и режимы сквозного КЗ, но непригодна для исследования режимов с неодинаковой загрузкой отдельных обмоток, например бросков тока намагничивания.
Для удовлетворения требований необходимо использовать П-образную схему замещения трансформатора. При исследовании переходных процессов в схемах с емкостным отбором мощности прежде всего остановимся на трех режимах (см. рис. 1): включение устройства емкостного отбора мощности, при этом замыкается переключатель Р1, a Р2, Р3 разомкнуты; включение нагрузки, при этом замыкаются переключатели Р1, Р2, а Р3 разомкнут; КЗ нагрузки, при этом замыкаются переключатели Р1, Р2, Р3. Для исследований этих режимов разработана математическая модель, которая может быть использована для расчета переходных процессов как в схеме емкостного отбора, так и в индуктивной или подобных схемах (рис. 3) [3–5]:
где Uф, U С1, UС2 – напряжения фазного верхнего и нижнего плеча делителя соответственно; iС1, iР, i2, iн, iк – токи в верхнем плече, в реакторе, во вторичной обмотке трансформатора, в ветви нагрузки и КЗ; W1, W2 – число витков от первичной и вторичной обмоток трансформатора; Sc, Sя – сечение стержня и ярма трансформатора; lя, lс – длина стержня и ярма магнитопровода трансформатора; Hс, Hя – напряженности магнитного поля в стержне и ярме магнитопровода трансформатора; Fк = RмкФк – магнитодвижущая сила, затрачиваемая на проведение полного потока рассеяния Фк через междуобмоточное пространство; Rмк – магнитное сопротивление на потоке Фк в междуобмоточном пространстве трансформатора; Rн, RТ1, RТ2, Rпос, RР1÷3 – активное сопротивление нагрузки, первичной, вторичной обмоток трансформатора и переключателей Р1, Р2, Р3; С1, С2, LР1÷3 – емкости верхнего и нижнего делителя напряжения ииндуктивности переключателей Р1, Р2, Р3; Bc, Bя – индукция в стержне и ярме магнитопровода трансформатора.
Согласно [3] Rмк можно найти из следующего соотношения:
где Lк1, Lк2 – индуктивность КЗ трансформатора, приведенная к числу витков первичной или вторичной обмотки.
Рис. 3. Расчетная схема емкостного отбора мощности
Fig. 3. Design diagram of capacitive power take-off
Решение ненагруженной схемы емкостного отбора мощности под напряжением доказало, что при «малом» возмущении не вызывается феррорезонанс даже при отсутствии специального демпфирующего устройства [6].
Результаты исследования КЗ за реактором в схеме конденсаторного отбора (таблица) подтвердили, что КЗ на выводах промежуточного трансформатора не воздействует на элементы верхнего плеча делителя напряжения, но существенно влияет на нижнее плечо делителя и компенсирующий реактор, в итоге появляются субгармоники.
Результаты исследования короткого замыкания за реактором в схеме конденсаторного отбора
Results of studying a short circuit behind the reactor in the capacitor selection circuit
|
Элементы делителя |
Изменение кривой напряжения |
Замечания |
|
На верхнем плече С1 делителя |
|
Не наблюдается изменений в амплитуде, получаются одинаковые кривые |
|
На нижнем плече С2 делителя |
|
Наблюдаются скачки напряжения |
|
На реакторе |
|
Амплитуда почти не изменяется,
|
Самый опасный режим для нижнего плеча делителя и реактора – КЗ на выводах трансформатора без нагрузки, где возникают несинусоидальные напряжения, а перенапряжение достигает иногда больше 20 % основной гармоники.
Выводы
- Для исследования влияния переходных процессов (коротких замыканий) на элементах делителя напряжения удобна разработанная модель. Модель универсальна и может быть использована как для емкостного, так и для индуктивного делителя. Смоделирована схема делителя с конкретными параметрами, и проведены соответствующие исследования. Математические результаты проверены на физической модели, согласно которой подтверждена корректность математической модели.
- Снижение фазного напряжения приводит к уменьшению перенапряжения на элементах делителя при КЗ за компенсирующим реактором схемы отбора мощности.
1. Доровской В. А., Черный С. Г., Бордюг А. С. Компараторная идентификация частотных характеристик систем автоматического управления судовой энергетической установки // Вестн. Поволж. гос. технолог. ун-та. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2020. № 1 (45). С. 47-57.
2. Бордюг А. С. Применение технологии распределенного оптического контроля в судовых электроэнергетических системах // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2021. № 2. С. 75-81.
3. Сметюх Н. П., Черный С. Г., Ениватов В. В., Бордюг А. С. Скалярное многофакторное оценивание диагностических характеристик судовых энергетических систем // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2019. № 12 (557). С. 15-19.
4. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. М.: Высш. шк., 1978. 523 с.
5. Шумилов Р. Н., Толстова Ю. И., Бояршинова А. Н. Электрические машины. СПб.: Лань, 2016. 352 c.
6. Москаленко В. В., Кацман М. М. Электрические машины и приводы. М.: Academia, 2017. 24 c.
