 |
< Предыдущая ] [ Следующая > |
Журнал №2(26) 2004 |
 | | |
| |
 |
Первая часть статьи была опубликована в № 1 (25) 2004. В ней рассматривалисьрезультаты испытаний трансформаторов тока различных производителей. Напомним, что все представленные на испытания ТТ отвечали требованиям ГОСТ 7746-2001 «при отсутствии влияющих факторов», но только одна модель оказалась устойчива к влиянию намагничивания сердечника постоянным током, который в условиях эксплуатации может стать причиной недоучета электроэнергии. Сердечник этой модели выполнен из нанокристаллического сплава, а не как у других – из электротехнической кремнистой стали.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА НА 0,4 КВ:
ИСПЫТАНИЯ, ВЫБОР, ПРИМЕНЕНИЕ
Аркадий Гуртовцев,
к.т.н. ведущий научный сотрудник РУП «БелТЭИ»
Владимир Бордаев,
Владимир Чижонок,
РУП «Гродноэнерго»,
Республика Беларусь
Нанокристаллические сплавы –
основа современных магнитопроводов
В трансформаторах, устойчивых к намагничиванию постоянным током, использован сердечник, свитый под натягом из ленты толщиной 20 мкм, выполненной из нанокристаллического сплава семейства FINEMET системы химических элементов FeB. Такие сплавы начали применяться в конце 80-х годов ХХ века в электротехнической промышленности США и Японии, а в начале 90-х годов их производство освоено в России и на Украине. Иногда эти сплавы называют аморфными, или металлическими стеклами.
Эти быстрозакаленные ферромагнитные сплавы на основе железа (73,5%), кремния (13,5%), бора (9%), ниобия (3%) и меди (1%) получают путем разлива расплава на поверхность вращающегося с большой скоростью валка-холодильника. При высокой скорости охлаждения (до 1 миллиона градусов в секунду) в сплаве толщиной 0,025-0,03 мм резко замедляется тепловое движение атомов, они теряют способность менять своих соседей и формировать крупнокристаллическую решетку – кристаллы и соответствующие им домены не успевают вырасти – сплав приобретает аморфный, нанокристаллический характер, при котором размеры кристаллов и доменов в тысячи раз меньше обычных. В настоящее время получены десятки различных сплавов в аморфном состоянии, причем у некоторых из них процесс кристаллизации удается подавить при существенно меньших скоростях охлаждения (тысячи и даже сотни градусов в секунду).
Нанокристаллические сплавы, подобно сплавам железа с никелем – пермаллоям лучших марок, характеризуются высокой магнитной проницаемостью m в слабых полях: начальная
mН= 40 000 – 50 000 и максимальная mmax до 600 000 (для сравнения – магнитная проницаемость электротехнической стали соответственно 400 и 8000), причем их магнитные характеристики более стойки и стабильны. Кроме того, эти сплавы обладают высокой магнитной индукцией насыщения (BS=1,2–1,3 Тл при Н=800 А/м); низкой коэрцитивной силой (НC < 2,5 А/м, для сравнения: у электротехнической стали НC=65 – 100 А/м), т.е. очень узкой петлей гистерезиса; высоким удельным электрическим сопротивлением (1,6 мкОм.м – в 2,5 раза выше, чем у электротехнической стали, в связи с чем отпадает необходимость в изоляции слоев сердечника лаком – для этого достаточно оксидной пленки) и соответственно малыми потерями на вихревые токи (менее 5 Вт/кг при f=20 кГц); близкой к нулю магнитострикцией; устойчивостью к магнитному старению – сохраняют свои магнитные свойства при нормальной температуре не менее 100 лет, а при температуре +50oС – не менее 50 лет (заметим, что периодические, в процессе эксплуатации, поверки ТТ на сердечниках из электротехнической стали приводят к браковке, по различным источникам, от 20 до 80% ТТ из-за ухода их метрологических характеристик в связи со старением сердечников). В зависимости от типа термообработки после закалки они могут обладать прямоугольной (коэффициент прямоугольности
Br /Bs=0,2-0,9), линейной или округлой петлей гистерезиса. Температура точки Кюри для них 570oС (для нанокристаллического сплава типа 5БДСР, содержащего дополнительно кобальт, молибден и хром, точка Кюри 350oС), а максимальная температура длительного применения составляет 240oС.
В лентах аморфных сплавов отсутствует кристаллическая магнитная анизотропия, но сохраняется наведенная магнитная анизотропия, что позволяет формировать магнитную структуру после отжига и охлаждения в магнитном поле в любом направлении ленты и тем самым получать магнитопроводы с заданными магнитными свойствами. Магнитные вихретоковые потери в таких магнитопроводах в 4–10 раз меньше, чем в сердечниках из электротехнической стали. За счет высоких магнитных свойств сердечников удается снизить их габариты и соответственно затраты провода на вторичную обмотку, что дополнительно уменьшает электрические потери в меди.
Эти магнитопроводы позволяют достичь высокой линейности кривой намагниченности в диапазоне 1–120% первичного номинального тока ТТ и 0–100% номинальной вторичной нагрузки.
Свойства магнитопроводов определяют
погрешности ТТ
Нормальным режимом работы ТТ является режим короткого замыкания (КЗ) его вторичной цепи (например, для ТТ с номинальной мощностью вторичной нагрузки S2н = 5 ВА и номинальным вторичным током I2н = 5 А максимальная внешняя нагрузка во вторичной цепи не должна превышать номинальную:
Z2max < Z2н = S2н / I22н = 5/52 = 0,2 Ом).
Максимальная нагрузка вторичной цепи Z2max равна сумме сопротивлений проводов Z2пр (в режиме КЗ нельзя пренебрегать сопротивлением проводов) и сопротивления Z2ИП последовательных цепей подключаемых к ТТ измерительных приборов: Z2max = Z2пр + Z2ИП. В этом режиме по вторичной цепи ТТ проходит индуцированный ток I2, который своей магнитодвижущей силой создает в магнитопроводе вторичный поток магнитной индукции Ф2, направленный по закону электромагнитной индукции встречно потоку магнитной индукции Ф1 генерируемого магнитодвижущей силой тока первичной цепи I1 (рис. 1).
В результате в сердечнике в стационарном режиме устанавливается сравнительно слабый суммарный номинальный поток магнитной индукции Ф0=Ф1-Ф2 (он составляет 2-3% от Ф1), который индуцирует во вторичной обмотке небольшую ЭДС (не более 1 В), поддерживающую ток во вторичной цепи в диапазоне (0-100)% от номинального тока I2н, пропорциональный значению тока первичной цепи I1= (1-100)% I1н.
Ток первичной цепи не зависит от нагрузки вторичной цепи и может изменяться от нуля до номинального, а в случае КЗ в первичной цепи (Z1=0) – превосходить номинальный в десятки раз. В этом случае безопасность вторичных цепей и их нагрузок обеспечивается за счет вхождения сердечника ТТ в насыщение – при этом допустимая перегрузка определяется коэффициентом безопасности ТТ, равным обычно 2-3.
Если вторичную цепь ТТ разомкнуть (аварийный режим), то исчезновение вторичного тока I2 и созданного им магнитного потока Ф2 приведет к значительному росту магнитного потока Ф0=Ф1 от магнитодвижущей силы тока первичной цепи и соответственно увеличению ЭДС во вторичной обмотке (до нескольких кВ). Это может вызвать пробой изоляции и опасность поражения током для обслуживающего персонала.
Кроме того, при большом магнитном потоке, существенно отличающемся от номинального, резко увеличиваются потери в сердечнике, трансформатор начинает вибрировать (гудеть) и нагреваться, что является, в частности, одной из причин раннего старения его магнитопровода. Поэтому при эксплуатации нельзя допускать разрыва вторичной цепи ТТ при наличии нагрузки у абонента (Z1№0), а при необходимости замены счетчика, подключенного к ТТ, вторичную обмотку ТТ предварительно необходимо закоротить (современные ТТ содержат для этого во вторичной цепи спаренные клеммы).
Из теории работы ТТ следует, что его погрешности (токовая погрешность, или погрешность действительного коэффициента трансформации, и угловая погрешность – разность фаз между токами первичной и вторичной цепи) определяются двумя факторами: ограниченной магнитной проницаемостью m магнитопровода и конечным, ненулевым значением величины вторичной нагрузки. Если бы магнитная проницаемость m сердечника была бесконечной, то есть его магнитное сопротивление равно нулю, или вторичная нагрузка была нулевой (режим полного короткого замыкания), то погрешности были бы нулевые. На практике не выполняются оба условия.
Вместе с тем погрешности ТТ тем меньше, чем меньше магнитное сопротивление магнитопровода, т.е. больше магнитная проницаемость материала, больше сечение сердечника и меньше его длина, а также чем меньше его вторичная нагрузка. Важно учитывать, что магнитная проницаемость m ферромагнитного материала зависит от напряженности магнитного поля (в зависимости от ее величины можно говорить о слабых, средних и сильных полях) и график этой зависимости имеет колоколообразный вид: с малым значением mн в малых полях, максимальным значением mmax в средних полях и опять же минимальным значением в сильных полях. Поскольку ТТ работают в установившемся режиме в малых полях, то для них существенно использование материала не только с большой максимальной магнитной проницаемостью, но и высокой начальной магнитной проницаемостью.
Эти качества сполна обеспечивают нанокристаллические сплавы. Именно высокой начальной магнитной проницаемостью, линейностью характеристик намагничивания и узкой петлей гистерезиса объясняется устойчивость метрологических характеристик ТТ с магнитопроводами из нанокристаллических сплавов к намагничиванию постоянным током: полное перемагничивание сердечника при подаче переменного тока происходит у них уже при малой напряженности магнитного поля и значениях первичного тока 1-2% I1н. Для сердечников из электротехнической стали этого добиться тяжело даже за счет увеличения сечения магнитопровода. В целом нанокристаллические сердечники характеризуются меньшей материалоемкостью, меньшими габаритами и весом по сравнению с сердечниками из электротехнической стали.
Монтаж и эксплуатация вторичных цепей ТТ
Из сказанного выше очевидна важность снижения вторичной нагрузки ТТ для обеспечения его штатных метрологических характеристик. Для многих моделей низковольтных ТТ номинальная вторичная нагрузка равна 5 ВА, или 0,2 Ом (при номинальном токе 5А). Это означает, во-первых, что во вторичную цепь можно включать только нагрузку (последовательные цепи счетчика, ваттметра, фазометра, амперметры), согласованную с нагрузкой ТТ (Z2ИП < Z2н), и, во-вторых, что соединительные провода от клемм вторичной цепи ТТ до клемм измерительных приборов должны иметь минимальное сопротивление (чем меньше, тем лучше), т.е. ограниченную длину l (м), большое сечение S (мм2), где S = p d2/4 для круглого провода диаметром d, и выполняться медными проводами (удельное сопротивление
r >> 0,0175 Ом•мм2/м – в 1,5 раза меньше, чем у алюминиевых). Сопротивление проводов может быть просчитано по формуле
R = r 2l / S и должно быть указано в паспорте точки коммерческого учета. В таблице 1 приводятся значения сопротивлений пар медных проводов в зависимости от сечения провода S (мм2) и расстояния l (м) от ТТ до клемм токовых цепей счетчика. В случае использования вместо медных проводов алюминиевых аналогичного сечения, величины, приведенные в таблице, следует увеличить в полтора раза. При номинальном вторичном токе I2н= 5А мощность потерь электроэнергии в проводах () согласно таблице находится в диапазоне от 0,25 ВА (при R = 0,01 Ом) до 22 ВА (при R = 0,88 Ом).
При использовании ТТ совместно с трехфазными индукционными электросчетчиками с номинальным вторичным током 5А (или 1А) потребляемая полная мощность в каждой токовой цепи при номинальных токе и частоте не должна превышать, согласно ГОСТ 6570-75 «Счетчики электрические активной и реактивной энергии индукционные. Общие технические условия», значений, приведенных в таблице 2 (в скобках указана номинальная нагрузка при I2н= 5А).
Для электронных счетчиков класса 0,2S и 0,5S (ГОСТ 30206-94) полная потребляемая мощность каждой цепью тока при номинальном токе не должна превышать 1 ВА, а для электронных счетчиков класса 1 и 2 (ГОСТ 30207-94) – соответственно 4 и 2,5 ВА. В действительности у современных электронных счетчиков полная потребляемая мощность цепью тока не превышает 0,1–0,5 ВА, т.е. в 4–10 раз меньше, чем у индукционных. Поэтому замена индукционных счетчиков электронными во всех случаях улучшает режим работы ТТ. Кроме того, если ко вторичной цепи одного и того же ТТ при использовании индукционных счетчиков нередко подключаются последовательно несколько токовых обмоток, например, токовые обмотки счетчиков приема активной и реактивной энергии, то при использовании электронного счетчика, измеряющего одновременно активную и реактивную энергию, к ТТ подключается только одна токовая цепь, что также снижает вторичную нагрузку на ТТ и улучшает его режим работы. Для повышения точности учета с применением ТТ следует правильно выбирать их номиналы по первичному току: номинальный ток должен соответствовать 70–80% максимального рабочего тока I1н >> (0,7–0,8) I1max. Такой выбор предупреждает увеличение погрешности на максимальных первичных токах в случае перегрузки вторичной цепи ТТ.
С переходом на использование электронных счетчиков снижаются требования к номинальной нагрузке ТТ: ее можно ограничить величиной 5 ВА, что в конечном итоге пропорционально снижает технические потери электроэнергии на приборный учет. Это имеет особенное значение в связи с тем, что КПД ТТ (отношение активной мощности, отбираемой
со вторичной обмотки трансформатора, к активной мощности, подводимой к первичной обмотке), по сравнению с КПД трансформаторов напряжения, низок из-за потерь в меди и магнитопроводе: КПД не достигает и 50% при номинальных токах. Нетрудно вычислить, что если в энергосистеме установлено
100 тысяч ТТ, то экономия мощности на каждом только
в 10 Вт даст суммарную экономию в 1 МВт, а годовая экономия электроэнергии составит 8760 МВт•ч, или около 350 тыс.
USD (из расчета 0,04 USD за 1 кВт•ч).
В том случае, если по условиям эксплуатации необходимо разместить счетчики вдалеке от ТТ (в 25 метрах или далее), необходимо либо использовать ТТ с повышенной мощностью номинальной нагрузки, либо при той же мощности с номинальным током 1 А (при этом допустимое максимальное внешнее сопротивление вторичной цепи увеличивается в 25 раз). В последнем случае необходимо соответственно применять и счетчики на номинальный ток не 5 А, а 1 А.
В заключение отметим, что высокие магнитные качества сердечников ТТ из нанокристаллических сплавов делают эти трансформаторы чувствительными по метрологическим характеристикам к повышению нагрузки (увеличению сопротивления нагрузки) во вторичной цепи ТТ сверх номинальной при максимальном первичном токе, что требует на практике жесткого выполнения всех противоперегрузочных требований. Перегрузочные способности таких ТТ можно повысить за счет изготовления более мощных сердечников, что не всегда оправдано, поскольку сердечники из нанокристаллических сплавов в 1,5–2 раза дороже, чем из электротехнической стали.
ТЕРМИНОЛОГИЯ
Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, передающий электроэнергию из одной цепи в другую посредством электромагнитной индукции и предназначенный для преобразования системы переменного тока одних параметров в систему переменного тока других параметров, в частности, для преобразования значений напряжения и тока. Различают трансформаторы силовые и специальные, однофазные и трехфазные, двухобмоточные и многообмоточные и другие.
Измерительный трансформатор тока (ТТ) – специальный трансформатор, предназначенный для измерения больших переменных токов путем преобразования их в меньшие токи с передачей сигнала измерительной информации измерительным приборам (амперметрам, счетчикам, фазометрам, ваттметрам).
Магнитное поле – силовое поле, или состояние материальной среды, обусловленное движущимися электрическими зарядами (токами) и действующее на токи и на тела, обладающие вследствие внутренних микроскопических токов магнитным моментом. Является средством описания с помощью силовых линий и вектора магнитной индукции В взаимодействия токов.
Магнетики – любые материалы, рассматриваемые с точки зрения их магнитных свойств, обусловленных реакцией материала на магнит.
Намагниченность насыщения (Js) – максимальная намагниченность, достигаемая в сильных полях, когда все магнитные моменты доменов ориентированы вдоль магнитного поля и дальнейшее увеличение его напряженности не изменяет магнитного состояния магнетика.
Магнитная индукция (B [1Тл=1Вб/м2]) – характеристика магнитного поля в среде – среднее значение суммарной напряженности микроскопических магнитных полей атомов магнетика и внешнего магнитного поля: B= m0 m H= ma H= m0 (H+J).
Напряженность магнитного поля (Н [А/м]) – векторная величина, количественно характеризующая магнитное поле вне зависимости от магнитных свойств среды и совпадающая в вакууме с магнитной индукцией: Н=В/m0. В среде Н определяет тот вклад в магнитную индукцию, который дает внешний источник поля.
Магнитная проницаемость – физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции среды при воздействии магнитного поля Н.
Относительная магнитная проницаемость (m) – отношение магнитной индукции в магнетике к напряженности внешнего магнитного поля, вызывающему намагничивание магнетика. Магнитная постоянная, или магнитная проницаемость вакуума – m0=1 (система СИ) и m0=4p 10-7
Гн/м (система СГС). Абсолютная магнитная проницаемость – mа = m0m. Начальная магнитная проницаемость (mн ) – значение при малой напряженности поля. Максимальная магнитная проницаемость (mmax) – максимальное значение, достигаемое обычно в средних магнитных полях.
Магнитодвижущая сила (МДС, F [А]) – сила внешнего магнитного поля, порождающая поток магнитной индукции в магнетике (для катушки, или обмотки, равна произведению силы тока на количество витков F=I•w).
Индукция насыщения (Bs) – максимальное значение индукции в ферромагнетике, соответствующее намагниченности насыщения.
Магнитное сопротивление (Rm[1/(Гн•м)])– отношение значения МДС к значению магнитного потока, вызванному этой МДС Rm= F/Ф.
Магнитная цепь – последовательность магнетиков, по которым проходит магнитный поток.
Коэрцитивная сила (Hc) – напряженность поля на обратном ходе петли гистерезиса, при которой достигается в магнетике нулевая индукция.
Петля гистерезиса – зависимость в ферромагнетике индукции от напряженности Н магнитного поля (кривая намагниченности) при изменении поля по циклу: увеличение модуля Н в прямом направлении до фиксированного уровня Нф – уменьшение модуля Н до нуля с переходом через нуль в обратном направлении – увеличение модуля Н до прежнего уровня Нф, но с обратным знаком – уменьшение модуля Н до нуля с переходом через нуль в прямом направлении и т.п . Гистерезис – это несовпадение значений В при одном и том же значении Н, но в зависимости от предыстории изменения Н, например, при увеличении Н до Нф и последующем уменьшении с Нф до Н.
Максимальная петля гистерезиса – петля, достигающая максимальной индукции насыщения Bs при Нф = Hmax.
Остаточная индукция (Br) – индукция магнитного поля на обратном ходе петли гистерезиса при нулевой напряженности магнитного поля.
Потери в обмотках (потери в меди) – потери электроэнергии на сопротивлении проводников обмоток и их нагревании.
Магнитный поток, или поток магнитной индукции (Ф [Вб]) – произведение вектора магнитной индукции на площадь поверхности, к которой этот вектор нормален Ф=В•S.
Потери на перемагничивание – магнитная энергия, переходящая в тепло при каждом цикле перемагничивания (пропорциональна площади петли гистерезиса).
Потери на вихревые токи – потери магнитной энергии на создание вихревых токов в магнитном материале, пропорциональны второй степени частоты напряженности магнитного поля. Эти потери уменьшаются для материалов с повышенным удельным электрическим сопротивлением и при наборе магнитопровода из изолированных пластин.(ЭДС самоиндукции пропорциональна площади поперечного сечения магнитного контура, а мощность потерь пропорциональна квадрату ЭДС и обратно пропорциональна удельному сопротивлению).
Точка Кюри – температура, при которой ферромагнетик теряет вследствие усиливающегося теплового движения атомов свои магнитные свойства – происходит разрушение доменов.
Ферромагнетики – вещества, подкласс ферримагнетиков, имеющие магнитную проницаемость m >> 1, которая создается спонтанной намагниченностью доменов (кристаллических областей вещества, в которых магнитные моменты атомов направлены параллельно друг другу), хаотически ориентированных в пространстве материала в отсутствии внешнего магнитного поля и приобретающих общую ориентацию в направлении поля при его появлении.
|
|
|
|
 |
Очередной номер | Архив | Вопрос-Ответ | Гостевая книга
Подписка | О журнале | Нормы. Стандарты | Проекты. Методики | Форум | Выставки
Тендеры | Книги, CD, сайты | Исследования рынка | Приложение Вопрос-Ответ | Карта сайта
|
