Дослідження методів визначення місця короткого замикання в обмотках тягових трансформаторів. Розрахунок оптимальної частоти для проведення діагностичних випробувань

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна

Кафедра «Електропостачання залізниць»

«ДО ЗАХИСТУ»

Завідувач кафедри

_________ Сиченко В.Г.

«___» ________ 2012 р.

ДИПЛОМНА РОБОТА

на здобуття ОКР «магістр»

Галузь 0507 Електротехніка та електромеханіка

Спеціальність 8.05070103 «Електротехнічні системи електроспоживання»

Дослідження методів визначення місця короткого замикання в обмотках тягових трансформаторів. Розрахунок оптимальної частоти для проведення діагностичних випробувань

Керівник дипломної роботи доцент _______ Ляшук В.М.

Нормоконтролердоцент _______ Дьяков В.О.

Виконавець, студент групи8- ЕП _______ Кревуш О.В.

Дніпропетровськ

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна

Факультет «Електрифікація залізниць» кафедра «Електропостачання залізниць»

Спеціальність 8.05070103 «Електротехнічні системи електроспоживання»

«ЗАТВЕРДЖУЮ»

завідувач кафедри ЕПЗ

__________ Сиченко В.Г.

«___» _________ 2012 р.

ЗАВДАННЯ

до дипломної роботи на здобуття ОКР «магістр»

студента групи 8-ЕПКревуш Олег Володимирович

Тема дипломної роботи: Дослідження методів визначення місця короткого замикання в обмотках тягових трансформаторів. Розрахунок оптимальної частоти для проведення діагностичних випробувань затверджена наказом по університету від « 22 » лютого 2011 р. № 127ст.

Розділи та консультанти

РозділКонсультантПідпис, датаЗавдання видавЗавдання прийнявКАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

Назва розділу дипломної роботиТермін виконанняОбсяг розділу, %Аналіз ушкоджень і несправностей тягових трансформаторів.12.03.201215Дослідження методів визначення місця короткого замикання в обмотках тягового трансформатора.2.04.201245Методи визначення місця короткого замикання тягового трансформатора10.09.201215Визначення оптимальної частоти генератора для проведення діагностичних випробувань19.11.201225

Дата видачі завдання: «22 » лютого 2012 р.

Термін подання студентом закінченої роботи: « » листопада 2012 р.

Керівник дипломної роботидоцент__________Ляшук В.М.

Завдання прийняв до виконання__________Кревуш О.В.

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка містить у собі:

·Сторінок -

·Малюнків -

·Таблиць -

·Джерел - 12

Розглянуті основні методи визначення місця короткого замикання в обмотках тягових трансформаторів, методи випробування ізоляції силових трансформаторів, представлені схеми для випробувань трансформаторів.

Запропоновано метод визначення місця короткого замикання, шляхом подачі напруги синусоїдальної форми, через високовольтний конденсатор, на обмотку трансформатора. Змінюючи частоту генератора до виникнення резонансу, вимірюється добротність контуру на цій частоті. Це значення записується в паспорт трансформатора. Надалі, вимірюючи добротність контуру, у складі якого включена обмотка трансформатора, можна робити висновки про наявність чи відсутність пошкоджень трансформатора. Для визначення в якій з обмоток є ушкодження, необхідно провести вимірювання добротності всіх обмоток трансформатора.

ЗмІСТ

ВСТУП

1. Аналіз пошкоджень і несправностей тягових агрегатів

2. Дослідження методів визначення місця короткого замикання в обмотках тягового трансформатора

2.1 Огляд існуючих методів дослідження несправності що виникають в обмотках тягового трансформатора

2.2 Обґрунтування необхідності визначення місця короткого

.3 Хроматографічний метод

.4 Алгоритм діагностування стану тягового трансформатора

.5 Випробування індукованою напругою

. Методи визначення місця короткого замикання тягового трансформатора

. Методика розрахунку частоти генератора, що підключається до обмотки трансформатора, що тестується

.1 Визначення наявності короткозамкнених витків в обмотці трансформатора без відключення напруги живлення

.1.1 Застосування послідовного коливального контуру

.1.2 Застосування паралельного коливального контуру

.2 Розрахунок оптимальної частоти генератора

.2.1 Вибір принципової схеми

.2 Електричний розрахунок схеми

Висновок

Список бібліографічних джерел

ВСТУП

В даний час розгорнена довжина електрифікованих залізничних ліній України складає 9407,2 км., причому при питомій вазі в загальній протяжності залізниць 42,74% на них виконується 83,% об'єму перевезень. Витрати на перевезення при електричній тязі в 1,6 разу менше, ніж при тепловозній. Це свідчить про високу економічну ефективність, що дозволяє розглядати електрифіковані лінії як найважливіший елемент ресурсозберігаючої і маловитратної технології перевізного процесу , що робить позитивний вплив на економічне зростання народногосподарського комплексу країни.

Сьогодні найбільш актуальним завданням є ремонт і відновлення працездатності пристроїв електропостачання, багато з яких вже вичерпали встановлений ресурс, морально і фізично застаріли. Особливо несприятливе положення склалося на устаткуванні тягових і трансформаторних підстанціях. Аналіз показав, що частка пошкоджень, пов'язаних із старінням і зносом її основних елементів, неухильно росте. Тому для ефективної роботи тягових підстанцій потрібна комплексна модернізація. Основні зусилля повинні бути направлені на заміну застарілого устаткування, при неможливості його заміни - вживання заходів по збільшенню терміну служби устаткування.

Проведемо детальний аналіз систем діагностування стану пристроїв електропостачання, зокрема тягових підстанцій залізниць України і визначимо основний напрям в розробці нових сучасних методів діагностування тягових агрегатів та особливо трансформаторів що встановлені на підстанціях. Реалізація наявних технічних рішень дозволить істотно поліпшити і здешевити технологічний процес ремонту, обслуговування тягової підстанції і продовжити термін експлуатації устаткування.

1. Аналіз пошкоджень і несправностей тягових агрегатів

Відомо, що несправності тягових агрегатів складаються з пошкодження обмоток трансформаторів, напівпровідникових перетворювачів та ін..

Особлива увага до маслонаповненого обладнання тягових підстанцій обумовлено його особливою значущістю в створенні надійної роботи систем електропостачання, високою вартістю, небезпекою виникнення ушкоджень зі значними наслідками. Перелік маслонаповненого обладнання (МНО) у розглянутому випадку включає тягові трансформатори, маслонаповнювальні вводи трансформаторів і масляних вимикачів 110, 220 кВ.

Проведений аналіз, а також вивчення досвіду роботи спеціалізованих підприємств у системі РАО «ЄЕС Росії» дозволили сформулювати наступні завдання комплексної діагностики маслонаповненого обладнання з урахуванням зазначених вище пріоритетів:

. Оцінка стану вводів;

. Оцінка вологості твердої ізоляції

. Оцінка старіння і деструкції твердої ізоляції;;

. Оцінка забруднення твердої ізоляції трансформатора

. Оцінка стану магнітної системи;

. Визначення наявності і місця часткових розрядів;

. Оцінка динамічного стану обмоток;

. Визначення якості трансформаторного масла;

. Оцінка стану системи охолодження;

. Оцінка стану РПН і контактної системи.

Перелік методів комплексної діагностики включає в себе як традиційні, так і нетрадиційні методи випробувань і вимірювань трансформаторів. В його основу покладено такі принципи:

·у повному обсязі перелік повинен вирішувати весь набір завдань діагностики маслонаповненого обладнання;

· при визначенні обсягу випробувань устаткування зроблена орієнтація на ті методи діагностування, які вже розроблені і пройшли експлуатаційну перевірку.

Як показує аналіз відмов, надійність трансформатора визначається станом ізоляції, обмоток і магнітопровода. Розглянемо методи та засоби діагностування твердої ізоляції.

Методи та засоби діагностування твердої ізоляції.

В даний час немає практично придатних прямих методів визначення вологості та ступеня старіння твердої ізоляції. Тому застосовуються непрямі методи - контроль ізоляційного масла і індикація часткових розрядів.

Аналіз масла дозволяє виявити процеси його старіння, поява забруднень і вологи. За результатами аналізу масла можна виявити до 90% дефектів, що розвиваються. Індикація часткових розрядів необхідна, оскільки під їх дією відбувається дуже швидкий розвиток пошкодження ізоляції, яке не встигає відбитися на стані масла через мале виділення масел.

Стан масла характеризується кількома параметрами. Ступінь зволоження масла може бути визначена по його куту діелектричних втрат tg? (рис.1.1), але лише при великих кількостях вологи. Це пояснюється малим впливом на tg? масла розчиненої в ньому води, різке зростання tg? відбувається при виникненні емульсії [1].

tg?*10-2

100 зволоження, г/т

Рис.1.1 Залежність tg? масла від зволоження

В результаті старіння масло окислюється. Наявність продуктів окислення в маслі визначається його кислотним числом Кч, яке характеризує стабільність масла.

Діелектричні втрати вимірюються мостовою схемою. Кислотне число вимірюється кількістю гідроксиду калію (у міліметрах), витраченого для нейтралізації кислих сполук, витягнутих з масла розчином етилового спирту (ГОСТ 5985-79).

Під впливом інтенсивних місцевих нагрівів, потужних електричних розрядів і дуги відбувається термічне розкладання масла (крекінг), що призводить до зниження температури спалаху суміші парів масла з повітрям. Температуру спалаху визначають при нагріванні масла в закритому тиглі з перемішуванням, випробування на спалах повторюють через певні інтервали часу.

Тверді ізоляційні матеріали при старінні виділяють гази: водень, низькомолекулярні вуглеводні, окис і двоокис вуглецю. Всього виділяють сім діагностичних газів. З досвіду експлуатації випливає, що, якщо швидкість збільшення концентрації діагностичного газу перевищує 10% на місяць, то це свідчить про розвиток небезпечного дефекту.

Для аналізу газів застосовуються методи визначення загальної горючості, мас-спектрометричний та хроматографічний. Найбільшого поширення набув метод газової хроматографії. Існуючі методики передбачають три способи добування газів з проби масла: барботировання, під вакуумом і статичну. Барботируваням називається процес вилучення газів за допомогою продування через пробу масла повітря. Апаратура для барботування громіздка і вимагає до 3л масла. Під вакуумом гази витягуються з масла під тиском не більше 133 Па (1 мм рт. ст.), Прискорення вилучення досягається за рахунок спінювання. Цей спосіб вимагає визначати ступінь вилучення кожного газу з масла, що пов'язано з великими похибками. При статичному методі виділення газу використовують медичний шприц на 50 мл. Частина об'єму заповнюється маслом, частина-газом. Потім проба витримується при постійній температурі протягом 15 ... 20 хв. з періодичним погойдуванням.

Після виділення газів з масла вони надходять через дозатор (рис.1.2) в розділову колонку. Для просування досліджуваної суміші використовується газ-носій, інертний по відношенню до досліджуваних газів. Розділова колонка містить адсорбент-пористу речовину з сильно розвиненою поверхнею. Внаслідок фізико-хімічної взаємодії окремих компонентів з поверхнею адсорбенту відбувається розділення суміші газів. Відмінності в фізико-хімічних властивостях окремих газів суміші викликають розбіжності у швидкості їх просування через адсорбент. На виході колонки різні гази будуть з'являтися в різні моменти часу.

Якщо відомі властивості газів, швидкість руху газу-носія і температура

розділової колонки, то можна точно визначити послідовність (час) виведення їх з колонки. В якості адсорбенту, наприклад, може застосовуватися активоване вугілля, а в якості газоносія - аргон або азот. Тип адсорбенту і газоносія визначається тим, які гази аналізуються. Вихідні з розділовою колонки гази разом з газом-носієм надходять в детектор. Застосовуються два типи детекторів - по теплопровідності або по іонізації в полум'ї. Детектор по теплопровідності - катарометр містить чутливі елементи терморезистори, включені в плечі моста і нагріваються протікаючим по них струмом. Два резистора обтікаються газом з колонки, два інших - чистим газом-носієм. При появі на виході з колонки досліджуваного газу змінюється теплопровідність суміші, умови охолодження резисторів також змінюються. Напруга на діагоналі моста записується реєстратором. У полум'яно-іонізаційних детекторах газ з розділювальної колонки змішується з воднем і спалюється. Утворені при цьому іони під дією напруги, прикладеної до розташованих в камері згоряння електродів, створюють струм.

Електрохімічний сигналізатор водню вбудовується в систему охолодження масла (Рис.1.2).

Рис.1.2 Сигналізатор водню

Датчик реагує на СО, С2Н4, С2Н2. Гази, розчинені в маслі, проникають крізь напівпроникну мембрану в сірчанокислий паливний елемент, де в присутності кисню повітря генерується електричний струм.

Кількісні дані вмісту газів в досліджуваній суміші визначаються за площею піків хроматограми.

За складом і концентрацією розчинених в маслі газів складено перелік виявлених дефектів. Гази, найбільш характерні для певного виду дефекту:

·Водень - дефекти електричного характеру (часткові розряди, іскрові і дугові розряди);

·Ацетилен - іскріння, електрична дуга, нагрів вище 700 °С;

·Етан - термічний нагрів масла і паперово - масляної ізоляції в діапазоні температур до 300 °С;

Етилен - високотемпературний (вище 300 °С) нагрів масла і паперово-масляною ізоляції.

Склад розчинених в маслі газів залежить від характеру дефекту що розвивається.

При аналізі складу розчинених у маслі газів для діагностики експлуатаційного стану трансформатора необхідно враховувати умови його експлуатації за попередній проміжок часу і фактори, що викликають зміни цього складу розчинених у маслі газів нормально працюючих трансформаторів.

Експлуатаційні фактори, що викликають збільшення концентрації розчинених у маслі газів бездефектних трансформаторів:

·збільшення навантаження трансформатора;

·перемішування свіжого масла із залишками старого, насиченого газами, що знаходяться в системі охолодження, баках РПН, розширювача і т.д.;

·доливка маслом, яку уже було в експлуатації і містить розчинені гази;

·проведення зварювальних робіт на баку;

·пошкодження масляного насоса з неекранованим статором;

·перегріви через дефекти системи охолодження (засмічення зовнішньої поверхні охолоджувачів, відключення частини масляних насосів та ін);

·перегрів масла теплоелектронагрівачами при його обробці в дегазаційних та інших установках;

сезонні зміни інтенсивності процесу старіння і т.п.

Експлуатаційні фактори, що викликають зменшення концентрації розчинених у маслі газів бездефектних трансформаторів:

·зменшення навантаження трансформатора;

·заміна силікагелю;

·тривале відключення;

·дегазація масла;

·доливка дегазованим маслом;

часткова або повна заміна масла в баку трансформатора і д.р.

Для визначення складу газової суміші використовується хроматографи: ЛХМ-80, "Модель 370", Агат, Колір-100, Колір-200, Колір-500, і т.д.

В аварійних режимах роботи для швидкого виявлення перегріву обмоток застосовують волоконно-оптичний датчик, що розміщується всередині бака. Діапазон вимірювання 0 ... 200 °С, з точністю ± 2 °С. Оптичний люмінесцентний датчик являє собою диск, спресований з порошку люмінофору. Діаметр датчика 0,4 мм, товщина 0,13 мм. Він висвітлюється ультрафіолетовими променями через оптичне волокно діаметром 0,4 мм. Джерело променів розташована за межами трансформатора. Ультрафіолетове випромінювання викликає флуоресценцію люмінофора у видимій частині спектру. Інтенсивність лінії спектра залежить від температури датчика. Видиме світіння люмінофора передається через те ж волокно в вимірювальний прилад. За допомогою інтерференційних фільтрів виділяються і вимірюються необхідні довжини хвиль.

Напруженість електричного поля в газових включеннях (дефектах) ізоляції перевищує напруженість в навколишньому діелектрику. Електрична міцність газу нижче, ніж діелектрика - відбувається пробій газового включення або частковий розряд. Часткові розряди викликають подальше руйнування діелектрика. Часткові розряди не руйнують фарфор, скло, слюду та інші діелектрики неорганічного походження.

Часткові розряди можуть виявлятися акустичними методами або по електромагнітному випромінюванню в широкому діапазоні частот. Для виявлення часткових розрядів в ланцюг шини заземлень баків встановлюють високочастотні трансформатори струму (рис.1.3). На корпусі бака розміщують акустичні датчики, що перетворюють звук в електричний сигнал.

Рис.1.3 Контроль часткових розрядів в трансформаторі

Виявлення деформацій обмоток

Найважливішими характеристиками трансформатора є:

·опір ізоляції обмоток;

·тангенс кута діелектричних втрат обмоток;

·відношення С2 / С50 и ?С / С.

При прикладанні до діелектрика різниці потенціалів відбувається поляризація - переміщення електричних зарядів, на це витрачається енергія поля, що розсіюється потім в об'ємі діелектрика. Відомі кілька видів поляризації: електронна, іонна та поляризація між шарами та ін. При поляризації між шарами на поверхні розділу різних шарів ізоляції накопичуються вільні заряди. Переміщення цих зарядів створює струм абсорбції, що і може бути виявлено при діагностуванні.

Для вимірювання абсорбційних характеристик:

·геометрична ємність (ємність ізоляції на частоті 50 Гц) С50;

·абсорбційна складова ? С;

·різниця ємностей на частотах 2 і 50 Гц С2 - С50;

Використовуються прилади: печи-2 і У 268

Вимірювання зазначених параметрів проводяться двічі: до і після закінчення ремонту.

Опір обмоток вимірюються мегомметром на напругу 2500В двічі через 15 і 60 с після початку обертання його ручки. Нормуються як найменші значення опорів, так і їх відношення. Тангенс кута діелектричних втрат визначається за допомогою моста змінного струму. Ємності обмоток вимірюються двічі на частотах 2 і 50 Гц за допомогою приладів: ПКВ-7 або ПКВ-8. Цими ж приладами вимірюють ємність обмоток "С" і її приріст ?С.

При протіканні великих струмів в трансформаторі можлива деформація обмоток, що може призвести до замикань між витками і втрати стійкості обмоток (вібрації).

Деформації обмоток змінюють їх часткові ємності, а також власні і взаємні індуктивності. Щоб виявити зазначені зміни застосовують методи імпульсів, частотних характеристик, короткого замикання і вібраційних характеристик.

Метод імпульсів заснований на аналізі та порівнянні струмів перехідного процесу в обмотках при прикладанні коротких імпульсів напруги. Осцилограми знімаються перед першим включенням трансформатора в роботу і в міру необхідності діагностування. Недоліками методу є великі похибки вимірювань форми і амплітуди імпульсів.

Метод частотних характеристик заснований на знятті амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) трансформатора на частотах до 500 кГц. Вимірювання проводяться перед першим включенням трансформатора в роботу і в міру необхідності діагностування. Діагноз ставиться на основі порівняння АЧХ.

Метод короткого замикання є стандартним. Діагностичним параметром служить відносна зміна опору короткого замикання. Кордон поля допуску призначається в межах від 3 до 5%. У літературі є рекомендації по визначенню опору короткого замикання при подачі на трансформатор пониженого до 0,4 кВ напруги. Результати випробувань наводяться до номінальних шляхом множення на відповідні масштабні коефіцієнти. Таким методом можна виявити деформацію обмоток не тільки після аварійних режимів, але і після транспортування трансформаторів з заводу виробника. Якщо виміряне значення опору короткого замикання на 1,5 - 3% відрізняються від паспортних, то потрібен регулярний контроль після кожного короткого замикання.

Вібраційні характеристики визначаються при вимірюванні вібрації поверхні бака в 10 ... 15 точках по периметру і в 3 ... 4 перерізах по висоті. Порівнюючи результати вимірів по різних трансформаторах, можна виявити ослаблення кріплень, зменшення зусилля пресування і т. п.

2. Дослідження методів визначення місця короткого замикання в обмотках тягового трансформатора

.1. Огляд існуючих методів дослідження несправності, що виникають в обмотках тягового трансформатора

Паралельно до обмотки трансформатора підключають певну ємність і на отриманий контур подають прямокутний імпульс. По осцилограмі спостерігають характер загасання власних коливань. Якщо спостерігається 5-6 періодів, значить контур високо-добротний, а добротність контуру визначається в першу чергу добротністю індуктивності. Для визначення місця короткого замикання застосовуються індуктивні датчики[2].

Типи індуктивних перетворювачів і їх конструктивні особливості. За схемою побудови індуктивні датчики можна розділити на одинарні і диференціальні. Одинарний індуктивний датчик містить одну вимірювальну гілку, диференційний - дві. У диференціальному індуктивному датчику при зміні вимірюваного параметра одночасно змінюються індуктивності двох однакових котушок, причому зміна відбувається на одну і ту ж величину, але з протилежним знаком.

Як відомо, індуктивність котушки:

де W-число витків; Ф - пронизуючий її магнітний потік; I - струм що проходить по котушці. Струм пов'язаний з МДС співвідношенням:

Звідки отримуємо:

де Rm = HL / Ф - магнітний опір індуктивного датчика. Розглянемо, наприклад, одинарний індуктивний датчик. В основу його роботи покладено властивість дроселя з повітряним зазором змінювати свою індуктивність при зміні величини повітряного зазору.

Індуктивний датчик складається з ярма 1, обмотки 2, якоря 3 - утримується пружинами. На обмотку 2 через опір навантаження Rн подається напруга живлення змінного струму. Струм в ланцюзі навантаження визначається як:

де rд - активний опір дроселя; L - індуктивність датчика. Т.к. активний опір ланцюга величина постійна, то зміна струму I може відбуватися тільки за рахунок зміни індуктивної складової XL = IRн, яка залежить від величини повітряного зазору ?.

Кожному значенню ? відповідає певне значення I, створює падіння напруги на опорі Rн: Uвих = IRн - являє собою вихідний сигнал датчика. Можна вивести аналітичну залежність Uвих = f (?), за умови що зазор досить малий і потоками розсіювання можна знехтувати, і знехтувати магнітним опором заліза Rмж в порівнянні з магнітним опором повітряного зазору Rмв.

Наведемо кінцевий вираз:

У реальних пристроях активний опір ланцюга набагато менше індуктивного, тоді вираз зводиться до вигляду:

Залежність Uвих = f (?) має лінійний характер (у першому наближенні). Реальна характеристика має вигляд:

Відхилення від лінійності на початку пояснюється прийнятим допущенням Rмж << Rмв. При малих d магнітний опір заліза сумірний з магнітним опором повітря. Відхилення при великих d пояснюються тим, що при великих d RL стає сумірною з величиною активного опору - Rн + rд. В цілому розглянутий індуктивний датчик має ряд істотних недоліків:

·не змінюється фаза струму при зміні напрямку переміщення;

·при необхідності вимірювати в обох напрямках переміщення потрібно встановлювати початковий повітряний зазор і, отже, струм I0, що незручно;

·струм у навантаженні залежить від амплітуди і частоти живлячої напруги;

·в процесі роботи датчика на якір діє сила тяжіння до магнітопроводу, яка нічим не врівноважується, і значить вносить похибку в роботу датчика.

Диференціальні (реверсивні) індуктивні датчики (ДІД)

Диференціальні індуктивні датчики являють собою сукупність двох нереверсивних датчиків і виконуються у вигляді системи, що складається з двох магнітопроводів із загальним якорем і двома котушками. Для диференціальних індуктивних датчиків необхідні два роздільних джерела живлення, для чого зазвичай використовується розділовий трансформатор 5.

За формою магнітопроводи можуть бути диференційно-індуктивні датчики з магнітопроводом Ш - подібної форми, набрані з мостів електротехнічної сталі (при частотах вище 1000Гц застосовуються залізонікелеві сплави - пермалой ), і циліндричні з суцільним магнітопроводом круглого перетину. Вибір форми датчика залежить від конструктивного поєднання його з контрольованим пристроєм. Застосування Ш - образного магнітопроводу обумовлено зручністю збірки котушки і зменшенням габаритів датчика. Для живлення диференційно-індуктивного датчика використовують трансформатор 5 із виведенням середньої точки на вторинній обмотці. Між ним і загальним кінцем обох котушок включається прилад 4. Повітряний зазор 0,2-0,5 мм. При середньому положенні якоря, коли повітряні зазори однакові, індуктивні опори котушок 3 і 3 однакові отже величини струмів в котушках дорівнюють I1 = I2 і результуючий струм в приладі дорівнює 0.

При невеликому відхиленні якоря в ту або іншу сторону під дією контрольованої величини Х змінюються величини зазорів і індуктивностей, прилад реєструє різницю струмів I1-I2, він є функцією зсуву якоря від середнього положення. Різниця струмів зазвичай реєструється за допомогою магнітоелектричного приладу 4 (мікроамперметра) з випрямною схемою В на вході. Характеристика індуктивного датчика має вигляд:

Полярність вихідного струму залишається незмінною незалежно від знака зміни повного опору котушок. При зміні напрямку відхилення якоря від середнього положення змінюється на протилежну (на 180 °) фаза струму на виході датчика. При використанні фазо-чуттєвих випрямних схем можна отримати індикацію напрямку переміщення якоря від середнього положення. Характеристика диференціального індуктивного датчика з ФЧВ має вигляд:

Похибка перетворення індуктивного датчика

Інформативна здатність індуктивного датчика в значній мірі визначається його похибкою перетворення вимірюваного параметра. Сумарна похибка індуктивного датчика складається з великого числа складових похибок.

Можна виділити наступні похибки індуктивного датчика:

) Похибка від нелінійності характеристики. Мультиплікативна складова загальної похибки. Із принципу індуктивного перетворення вимірюваної величини, що лежить в основі роботи індуктивних датчиків, є суттєвою і в більшості випадків визначає діапазон вимірювання датчика. Обов'язково підлягає оцінці при розробці датчика.

2) Температурна похибка. Випадкова складова. Зважаючи на великі числа залежних від температури параметрів складових частин датчика складова похибка може досягти великих величин і є суттєвою. Підлягає оцінці при розробці датчика.

) Похибка від впливу зовнішніх електромагнітних полів. Випадкова складова загальної похибки. Виникає через індукування ЕРС в обмотці датчика зовнішніми полями і через зміни магнітних характеристик магнітопроводу під дією зовнішніх полів. У виробничих приміщеннях з силовими електроустановками виявляються магнітні поля з індукцією Тл і частотою в основному 50 Гц.

Оскільки магнітопроводи індуктивних датчиків працюють при індукції 0,1 - 1 Тл, то частка від зовнішніх полів складе 0,05-0,005% навіть у разі відсутності екранування. Введення екрану і застосування диференціального датчика знижують цю частку приблизно на два порядки. Таким чином, похибка від впливу зовнішніх полів повинна прийматися в розгляд тільки при проектуванні датчиків малої чутливості і з неможливістю достатнього екранування. У більшості випадків ця складова похибки не є суттєвою.

) Похибка від магнітопружного ефекту. Виникає через нестабільність деформацій магнітопроводу при збірці датчика (адитивна складова) і через зміну деформацій в процесі експлуатації датчика (випадкова складова). Розрахунки з урахуванням наявності зазорів в магнітопроводі показують, що вплив нестабільності механічних напруг в магнітопроводі викликає нестабільність вихідного сигналу датчика порядку, і в більшості випадків ця складова може спеціально не враховуватися.

5) Похибка від тензометричного ефекту обмотки. Випадкова складова. При намотуванні котушки датчика в проводі створюються механічні напруги. Зміна цих механічних напружень в процесі

експлуатації датчика веде до зміни опору котушки постійному струму і, отже, до зміни вихідного сигналу датчика.

) Похибка від з'єднувального кабелю. Виникає через нестабільність електричного опору кабелю під дією температури або деформацій і через наведень ЕРС в кабелі під дією зовнішніх полів. Є випадковою складовою похибки. При нестабільності власного опору кабелю похибка вихідного сигналу датчика. Довжина сполучних кабелів складає 1-3 м і рідко більше. При виконанні кабелю з мідного проводу перерізом опір кабелю менше 0,9 Ом, нестабільність опору. Оскільки повний опір датчика зазвичай більше 100 Ом, похибка вихідного сигналу датчика може скласти величину. Отже, для датчиків, що мають малий опір в робочому режимі, похибку слід оцінювати. В інших випадках вона не є суттєвою.

) конструктивні похибки. Виникають під дією наступних причин: вплив вимірювального зусилля на деформації деталей датчика (адитивна), вплив перепаду вимірювального зусилля на нестабільність деформацій (мультиплікативна), вплив направляючих вимірювального стрижня на передачу вимірювального імпульсу (мультиплікативна), нестабільність передачі вимірювального імпульсу внаслідок зазорів і люфтів рухомих частин (випадкова). Конструктивні похибки в першу чергу визначаються недоліками у конструкції механічних елементів датчика і не є специфічними для індуктивних датчиків. Оцінка цих похибок провадиться за відомим способам оцінки похибок кінематичних передач вимірювальних пристроїв.

) Технологічні похибки. Виникають внаслідок технологічних відхилень взаємного положення деталей датчика (адитивна), розкиду параметрів деталей і обмоток при виготовленні (адитивна), впливу технологічних зазорів і натягів в з'єднанні деталей і в направляючих (випадкова). Технологічні похибки виготовлення механічних елементів конструкції датчика також не є специфічними для індуктивного датчика, їх оцінка проводиться звичайними для механічних вимірювальних пристроїв способами. Похибки виготовлення магнітопроводу і котушок датчика ведуть до розкиду параметрів датчиків і до утруднень, що виникають при забезпеченні взаємозамінності останніх.

9) Похибка від старіння датчика. Ця складова похибки викликається, по-перше, зносом рухомих елементів конструкції датчика і, по-друге, зміною у часі електромагнітних характеристик магнітопроводу датчика. Похибку слід розглядати як випадкову. При оцінці похибки від зносу до уваги приймається кінематичний розрахунок механізму датчика в кожному конкретному випадку. На стадії конструювання датчика в цьому випадку доцільно задавати термін служби датчика в нормальних для нього умов експлуатації, за час якого додаткова похибка від зносу не перевищить заданої величини.

2.2 Обґрунтування необхідності визначення місця короткого замикання в обмотках тягового трансформатора

Оцінка фактичного стану силового електрообладнання за результатами діагностичних вимірів є на сьогоднішній день складною і актуальною задачею. Його значна частина виробила свій ресурс, але продовжує експлуатуватися через нестачу фінансових коштів на його заміну. Відповідно з кожним роком зростають витрати на проведення комплексних обстежень і діагностики.

Слід зазначити, що трансформатори з дефектами в активній частині можуть нормально експлуатуватися ще в перебігу багатьох років, хоча в місці дефекту йдуть процеси розвитку нагріву, часткових розрядів (ЧР) в ізоляції і, як наслідок, погіршення результатів діагностичних вимірів і аналізів. У подальші роки експлуатації, а також у разі наступного серйозного КЗ, вірогідний аварійний вихід з ладу трансформатора з тяжкими наслідками.

Основними причинами таких відключень, пов'язаних з внутрішніми КЗ, є знос і пробій ізоляції обмоток і відводів, недостатня електродинамічна стійкість обмоток при КЗ, пробій внутрішньої ізоляції високовольтних вводів, пошкодження РПН. Таким чином, вимальовуються дві основні причини пошкоджуваності - це недостатня стійкість обмоток при КЗ і пробою внутрішньої ізоляції.

Найбільш важливими та ефективними методами діагностики активної частини силового трансформаторного устаткування є метод низьковольтних імпульсів (НВІ), вимірювання опору КЗ (Zk) для контролю механічного стану обмоток після протікання наскрізних струмів короткого замикання (КЗ), а також моніторинг рівня часткових розрядів (ЧР) в ізоляції вводів і обмоток в сукупності з контролем основних ізоляційних характеристик (R ізол., tg ? та ін.) Ці кілька методів діагностики дозволяють охопити і стан геометрії обмоток, і стан їх ізоляції, що в сумі дає досить об'єктивну загальну картину "самопочуття" активної частини силового трансформатора в світлі аналізу пошкоджуваності, наведеного вище.

Основним параметром, що визначає безаварійну роботу трансформаторного обладнання, є геометрія обмоток, яка може змінюватися при протіканні наскрізних струмів короткого замикання (КЗ) і приводити до деформацій обмоток, а в подальшому до виткових замикань, вибухів і пожеж із серйозними наслідками і шкодою по недоотпуску електроенергії. Прикладом виникнення залишкових деформацій у результаті впливу наскрізних струмів короткого замикання (КЗ) (рис. 2.1).

Рис. 2.1

Приклад виникнення виткового замикання в обмотці НН трансформатора

Методами діагностики, чутливими до зміни механічного стану обмоток, тобто їх геометрії, по праву вважається опір (напруги) КЗ, метод низьковольтних імпульсів (НВІ), метод частотного аналізу (FRA) - Frequency Response Analysis.

Обстеження методом низьковольтних імпульсів необхідно проводити

паралельно з вимірюванням опору КЗ (Zk) трансформатора, що може бути достатньо ефективним при постановці діагнозу ушкодження. У зв'язку з цим необхідно пофазно виміряти uk (Zk) на заводі-виробнику, так як в даний час в заводському паспорті наводиться лише одне усереднене по фазах значення uk.

Досвід діагностики показує, що заводський паспорт трансформатора крім стандартних характеристик повинен містити: нормограми НВІ, первинні дані по ЧР, нормограми тепловізійного контролю (головних зразків), зняті під час теплових випробувань і дані по залишковій пресуванні обмоток, отримані віброакустичним методом. НВІ - діагностику необхідно проводити паралельно з вимірюванням опору КЗ (Zk).

Для попередження виникнення аварійної ситуації, що тягне за собою важкі пошкодження обмоток трансформатора, бажано визначати місця порушення ізолюючих властивостей обмотки. Це проводиться шляхом аналізу інформації одержуваної з індуктивних датчиків при подачі напруги прямокутної форми на обмотку трансформатора Рис.2.2.

короткий замикання тяговий трансформатор

Рис 2.2

2.3 Хроматографічний метод

Існують багато методик для оцінки стану силових трансформаторів за наслідками хроматографічного аналізу. Історія розвитку методу налічує вже три десятиріччя. Проте, оцінка стану трансформаторів проводиться в основному по трьох критеріях: граничні концентрації газів, швидкості наростання концентрацій, відношення концентрації характерних пар газів.

Граничні концентрації диференціюють стан ізоляції устаткування на «нормальний» і «можливо дефектний». Граничні концентрації газів встановлюються на основі статистичної обробки результатів аналізу розчинених в маслі газів. При цьому оцінка граничних концентрацій проводиться з урахуванням градації по класу напруги, термінам експлуатації устаткування, марки залитого в трансформатор масла, типу захисту масла і т.д. Деякі енергосистеми встановлюють граничні значення самостійно, хоча, звичайно, при цьому користуються досвідом, накопиченим іншими енергосистемами.

При оцінці стану устаткування по критерію швидкості наростання концентрацій виходять з того, що вона не повинна перевищувати 10 % в місяць по тих газах, концентрація яких перевищує граничну.

Співвідношення концентрації характерних пар газів дозволяють ідентифікувати причину дефекту, що обумовлює газоутворення - тепловиділення або електричні процеси. Згідно рекомендаціям МЕК 599, де узагальнені основні існуючі раніше методи інтерпретації результатів газового аналізу, для оцінки характеру дефекту використовується система кодів, заснована на співвідношеннях трьох характерних пар газів: СН4/Н2; С2Н2/С2Н4 і С2Н4/С2Н6.

При цьому вказані критерії застосовуються у тому випадку, коли концентрація хоча б одного газу перевищує граничну. Не дивлячись на те, що

даний метод отримав найбільше розповсюдження у зв'язку з визнанням його міжнародним співтовариством, він має деякі недоліки. Наприклад, не по всіх поєднаннях кодів можна судити про характер пошкодження. У результаті об'єктивний діагноз можна винести тільки в 60-65 % випадків. Це спонукало дослідників шукати інші шляхи. Очевидно, що найефективнішим шляхом вдосконалення діагностики МНЕО на основі аналізу розчинених в маслі газоподібних продуктів розкладання ізоляції є використовування комп'ютерної техніки із залученням різних математичних методів для обробки, аналізу і узагальнення даних.

Останніми роками зроблений істотний стрибок на шляху розширення сфери застосування фізико-хімічної діагностики. Діагностика високовольтних введень і вимірювальних трансформаторів струму і напруги побудована на тих же принципах, що і діагностика силових трансформаторів. Істотною відмінністю є та обставина, що в силових трансформаторах має місце примусова циркуляція масла, і, отже, гази, що утворюються і розчиняються в маслі, без затримки розподіляються по всьому об'єму трансформатора. У високовольтних введеннях і вимірювальних трансформаторах примусова циркуляція масла відсутня, і розповсюдження газів за об'ємом сповільнено. Можливі три основні механізми, які впливають на розподіл газів у вказаних об'єктах: конвекція, дифузія і виникнення потоків в прошарках ізоляції конденсаторного типу в результаті вібрації обкладок. Ефективність вказаних механізмів залежить від конструкції апарату і умов експлуатації. Проте у всіх випадках спостерігається «відставання» за часом між подією і його оцінкою. Тому у вимірювальних трансформаторах і введеннях використовуються більш низькі значення граничних концентрацій газів, а це збільшує вимоги до аналізу по чутливості і відтворення аналізу і вимоги до якості пробо відбору.

Ідеологія і тактика фізико - хімічного діагностичного контролю устаткування цієї діагностичної групи припускає рішення основної задачі: виключення аварійного виходу електроустаткуванні з ладу. Головними методами в досягненні цієї мети є:

) своєчасний вивід устаткування з експлуатації відповідно до об'єктивних діагностичних свідчень (а не відповідно до плану) для проведення попереджувального ремонту;

) встановлення безперервного контролю (електротехнічного або фізико - хімічного моніторингу) для потенційно ненадійного устаткування (експлуатація якого, проте, можлива невизначений, тривалий час) з метою своєчасного його відключення по досягненні встановлених меж контрольованих параметрів.

Практична діагностика трансформаторного устаткування і введень виконується однотипно і проводиться по єдиній схемі. Один раз в півроку відбирається проба масла з устаткування для раннього визначення зародження дефекту. Якщо всі значення концентрації газів залишаються нижче за граничні значення, стан устаткування оцінюється як задовільне (нормальна експлуатація), і наступний відбір проби буде проведений через півроку. При перевищенні граничної концентрації виконується повторний аналіз для підтвердження відхилення і розрахунку швидкості розвитку можливого дефекту. Якщо відхилення не підтверджується або відсутня динаміка його розвитку, то може бути ухвалено рішення про нормальну експлуатацію, тим більше, якщо додаткові визначення електричних, фізичних, фізико - хімічних і хімічних характеристик масла не показують істотних відхилень. При підтвердженні проблем визначається припустимий вид дефекту, термічний або електричний, і ухвалюється рішення про подальший контроль за допомогою моніторингу або газо - хроматографічного аналізу, що кінець кінцем закінчується рекомендаціями за об'ємом відновного ремонту.

Для забезпечення максимальної ефективності фізико-хімічної діагностики

необхідне виконання наступних обов'язкових умов:

забезпечення мінімальної втрати компонентів, розчинених в маслі, при відборі, транспортуванні і зберіганні проб масла;

використовування високочутливих методів аналізу;

облік адсорбційних явищ в складній системі ізоляції електроапарата;

використовування штучного інтелекту для діагностичної інтерпретації результатів аналізу, побудованого на знаннях фахівців високої кваліфікації.

В даний час найбільше розповсюдження в якості пробоотборників трансформаторного масла отримали скляні медичні шприци з триходовим краном. Такі пробовідбірники трансформаторного масла мають, як правило, високу газову густину, тобто забезпечують максимальне збереження газів, розчинених в трансформаторному маслі, за час транспортування. Вони надзвичайно зручні при відборі проби і дозволяють звести до мінімуму як втрати масла, так і ризик попадання атмосферного повітря в пробу масла.

Чутливість хроматографічних методів аналізу для фізико-хімічної діагностики маслонаповненого електроустаткуванні встановлена документами МЕК 567 і 1181. Для забезпечення високої надійності визначення реального значення мінімально визначуваних концентрацій повинні перекриватися принаймні удвічі. Слід використовувати автоматичні прилади аналізу, конструкція яких виключає контакт проби масла з повітрям.

Оскільки деякі компоненти (СО, СО2, Н2О) здатні абсорбуватися папером, розрахунок вмісту їх в папері і загального вмісту цих компонентів в апараті набуває особливого значення як для розуміння отриманих в аналізі значень концентрації в маслі, так і для розрахунку стану найтвердішої ізоляції.

Що стосується використовування штучного інтелекту, то діагностика ще довгий час залишатиметься мистецтвом експертів, але, очевидно, вже зараз основну частину рутинних робіт повинні виконувати комп'ютери. Серед них і ті розрахунки фізико-хімічного стану ізоляції, які відображають її ресурс.

2.4 Алгоритм діагностування стану тягового трансформатора

Існує багато методик для оцінки стану силових трансформаторів за наслідками хроматографічного аналізу. Історія розвитку методу налічує вже три десятиліття. Проте, оцінка стану трансформаторів проводиться в основному по трьом критеріям: граничні концентрації газів, швидкості наростання концентрацій, відношення концентрації характерних пар газів.

Граничні концентрації диференціюють стан ізоляції устаткування на «нормальне» і «можливо дефектне». Граничні концентрації газів встановлюються на основі статистичної обробки результатів аналізу розчинених в маслі газів. При цьому оцінка граничних концентрацій проводиться з урахуванням градації по класу напруги, термінам експлуатації устаткування, марки залитого в трансформатор масла, типу захисту масла і так далі Деякі енергосистеми встановлюють граничні значення самостійно, хоча, звичайно, при цьому користуються досвідом, накопиченим іншими енергосистемами.

При оцінці стану устаткування по критерію швидкості наростання концентрацій виходять з того, що вона не повинна перевищувати 10 % у місяць по тих газах, концентрація яких перевищує граничну.

Співвідношення концентрації характерних пар газів дозволяють ідентифікувати причину дефекту, що обумовлює газоутворення - тепловиділення або електричні процеси. Згідно рекомендаціям МЕК 599, де узагальнені основні методи інтерпретації результатів газового аналізу, що існували раніше, для оцінки характеру дефекту використовується система кодів,

яка заснована на співвідношеннях трьох характерних пар газів: Сн4/н2;

С2н2/с2н4 і С2н4/с2н6. При цьому вказані критерії застосовуються у тому випадку, коли концентрація хоч би одного газу перевищує граничну. Не дивлячись на те, що даний метод набув найбільшого поширення у зв'язку з визнанням його міжнародним співтовариством, він володіє деякими недоліками. Наприклад, не по всіх поєднаннях код можна судити про характер пошкодження. У результаті об'єктивний діагноз можна винести тільки в 60-65 % випадків. Це спонукало дослідників шукати інші шляхи. Очевидно, що найбільш ефективним шляхом вдосконалення діагностики на основі аналізу розчинених в маслі газоподібних продуктів розкладання ізоляції є використання комп'ютерної техніки із залученням різних математичних методів для обробки, аналізу і узагальнення даних. Останніми роками зроблений істотний стрибок на шляху розширення сфери додатку фізико - хімічної діагностики. Діагностика високовольтних введень і вимірювальних трансформаторів струму і напруги побудована на тих же принципах, що і діагностика силових трансформаторів. Істотною відмінністю є та обставина, що в силових трансформаторах має місце примусова циркуляція масла, і, отже, гази, що утворюються і розчиняються в маслі, без затримки розподіляються за всім обсягом трансформатора. У високовольтних введеннях і вимірювальних трансформаторах примусова циркуляція масла відсутня, і розповсюдження газів за об'ємом сповільнене. Можливі три основні механізми, газів, що впливають на розподіл, у вказаних об'єктах: конвекція, дифузія і виникнення потоків в прошарках ізоляції конденсаторного типу в результаті вібрації обкладань. Ефективність вказаних механізмів залежить від конструкції апарату і умов експлуатації. Проте у всіх випадках спостерігається «відставання» за часом між подією і його оцінкою. Тому у вимірювальних трансформаторах і введеннях використовуються нижчі значення граничних концентрацій газів, а це збільшує вимоги до аналізу по чутливості і відтворюваності аналізу і вимоги до якості проб відбору.

Ідеологія і тактика фізико - хімічного діагностичного контролю устаткування цієї діагностичної групи припускають рішення основної задачі: виключення аварійного виходу електроустаткування з ладу. Головними методами в досягненні цієї мети є: 1) своєчасне виведення устаткування з експлуатації відповідно до об'єктивних діагностичних свідчень (а не відповідно до плану) для проведення попереджувального ремонту;

) встановлення безперервного контролю (електротехнічного або фізико -хімічного моніторингу) для потенційно ненадійного устаткування (експлуатація якого, проте, можлива невизначений, тривалий час) з метою своєчасного його відключення після досягнення встановлених меж контрольованих параметрів.

Практична діагностика трансформаторного устаткування і введень виконується однотипно і проводиться по єдиній схемі. Один раз в півроку відбирається проба масла з устаткування для раннього визначення зародження дефекту. Якщо всі значення концентрації газів залишаються нижчими за граничні значення, стан устаткування оцінюється як задовільне (нормальна експлуатація), і наступний відбір проби буде проведений через півроку. При перевищенні граничної концентрації виконується повторний аналіз для підтвердження відхилення і розрахунку швидкості розвитку можливого дефекту. Якщо відхилення не підтверджується або відсутня динаміка його розвитку, то може бути ухвалене рішення про нормальну експлуатацію, тим більше, якщо додаткові визначення електричних, фізичних, фізико - хімічних і хімічних характеристик масла не показують істотних відхилень. При підтвердженні проблем визначається гаданий вид дефекту - термічний або електричний - і ухвалюється рішення про подальший контроль за допомогою моніторингу або прискореного газо -хроматографічного аналізу, що кінець кінцем закінчується рекомендаціями за об'ємом відновлювального ремонту. Для забезпечення максимальної ефективності фізико - хімічної діагностики необхідне виконання наступних обов'язкових умов:

забезпечення мінімальної втрати компонентів, розчинених в маслі, при відборі, транспортуванні і зберіганні проб масла;

використання високочутливих методів аналізу;

облік адсорбційних явищ в складній системі ізоляції електроапарата;

використання штучного інтелекту для діагностичної інтерпретації результатів аналізу, побудованого на знаннях фахівців високої кваліфікації.

В даний час найбільшого поширення як пробовідбірники трансформаторного масла набули скляні медичні шприци з триходовим краном. Такі пробовідбірники трансформаторного масла мають, як правило, високу газощільність, тобто забезпечують максимальне збереження газів, розчинених в трансформаторному маслі, за час транспортування. Вони надзвичайно зручні при відборі проби і дозволяють звести до мінімуму як втрати масла, так і ризик попадання атмосферного повітря в пробу масла.

Чутливість хроматографічних методів аналізу для фізико - хімічної діагностики електроустаткування яке наповнене маслом встановлена документами МЕК 567 і 1181. Для забезпечення високої надійності визначення реальні значення мінімально визначуваних концентрацій повинні перекриватися принаймні удвічі. Слід використовувати автоматичні прилади аналізу, конструкція яких виключає контакт проби масла з повітрям[1].

Оскільки деякі компоненти (З, СО2, Н2О) здатні абсорбуватися папером, розрахунок змісту їх в папері і загального вмісту цих компонентів в апараті набуває особливого значення як для розуміння набутих в аналізі значень концентрації в маслі, так і для розрахунку стану найтвердішої ізоляції.

Що стосується використання штучного інтелекту, то діагностика МНЕО ще довгий час залишатиметься мистецтвом експертів, але, очевидно, вже зараз основну частину рутинних робіт повинні виконувати комп'ютери. Серед них і ті розрахунки фізико - хімічного стану ізоляції, які відображають її ресурс.

Фізико - хімічні характеристики, що визначають якість масла.

. Принциповий тиск газів і води (розрахунок по концентрації в маслі) у всьому діапазоні робочої температури.

. Тангенс кута втрат паперу (розрахунок по воді) у всьому діапазоні робочої температури.

. Провідність паперу (розрахунок по воді) у всьому діапазоні робочої температури.

. Ступінь полімеризації паперу (розрахунок по фурфуролу в маслі).

. Знос паперу по воді (для абсолютно герметичного устаткування).

. Знос паперу по оксидах вуглецю.

. Температура гарячої області паперу (по оксидах вуглецю).

. Щільність масла.

. Поверхневе натягнення масла.

. Температура спалаху масла.

. Кислотність масла.

. Вміст антиоксиданту в маслі.

. Механічні забруднення в маслі.

. В'язкість масла.

. Кольоровість масла та інші

Якнайповнішу діагностику ізоляції трансформаторів проводять в заводських умовах, що вимагає значних витрат по демонтажу і доставці з тягової підстанції.

При спрацьовуванні системи захисту перед подальшим включенням трансформатора, а також при планових заходах бажано проводити діагностику на місці експлуатації.

В даний час відомі різні методи і апаратура, що дозволяють провести діагностику на місці експлуатації трансформаторів. Існуючі методики діагностики вимагають використання великогабаритного устаткування і є енергоємними або не універсальні з погляду визначення різного роду дефектів. Часто контроль ізоляції трансформатора на місці експлуатації зводиться до вимірювання опору ізоляції за допомогою мегомметра, що не дозволяє виявити ряд дефектів, таких, як часткові пробої на корпус, які виявляються при напрузі більшій, ніж 2,5 кВ, пробої між витками.

У зв'язку з сказаним виникла необхідність в розробці нової методики діагностування, яка має малогабаритну переносну апаратну реалізацію і дозволяє проводити діагностику на місці експлуатації. Можливості даної методики повинні включати виявлення часткового пробою на корпус, пробоїв між витками, погіршення поперечної ізоляції.

При розробці методики діагностування враховувалася можливість її технічної реалізації. При побудові методики використовувалися конструктивні особливості тристрижневих трансформаторів. Один з підходів для визначення реального стану трансформатора - це випробування, що полягає в створенні зондуючої ударної дії і в отриманні відгуку від трансформатора.

У основу контролю стану були покладені імпульсні випробування з подальшою тривалою дією, тобто з підтримкою амплітуди напруги у високовольтній обмотці не нижче номінального для вимірювання

струмів витоку на корпус при робочій напрузі.

Для випробувань використовуються одиночні імпульси, форма яких представлена на рис. 2.3. Передбачається, що перед випробуваннями трансформатор відключається від мережі живлення і від випрямного агрегату. В процесі випробувань конденсатор генератора, заряджений до напруги від 150 до 900В, розряджається на низьковольтну обмотку трансформатора. Основні вимоги до параметрів імпульсу продиктовані необхідністю забезпечення:

0,000 002 0,004 0,006 t, з

Рис. 2.3.

1) стійкої передачі імпульсної напруги з обмотки нижчої напруги в обмотку вищої напруги; 2) значної амплітуди в обмотці вищої напруги (близькою до номінальної); 3) проходження високочастотних коливань на "полиці" імпульсу; 4) безпеці випробувань для трансформаторів.

Процес можна розділити на три етапи: передача імпульсу по фронту і високочастотні коливання (рис. 2.3.), пов'язані з наявністю індуктивності розсіяння і ємностей конструкції; "полиця" імпульсу; нелінійна частина - намагнічування сердечника, падіння вхідної індуктивності і розряд конденсатора генератора. Для цілей діагностики використовується проміжок часу [0, Тк], де Тк - тривалість високочастотних коливань. При випробуваннях використовувався імпульс тривалістю 4 мс, при цьому тривалість високочастотних коливань для різних типів трансформаторів 300-700 мкс. Як "відгук" на імпульсну дію, а також для визначення втрат використовується струм на "землю". Під струмом на "землю" розуміється струм, що протікає через вимірювальний шунт, що зєднує кінець високовольтної обмотки із заземленим сердечником трансформатора. Схема експерименту представлена на рис. 2.4.

В даному випадку імпульс подається на обмотку НН фази і, тестована обмотка - обмотка ВН фази В. Для вимірювання струму на "землю" знімається напруга з вимірювального опору - шунта Rш.

Інтегральне значення струму на "землю" умовно містить три складових: постійну складову, пов'язану із струмами витоку;

складову, пов'язану з активними втратами в обмотках; складову, пов'язану з втратами в діелектриці ізоляції і магнітопроводі при високочастотних коливаннях.

Наявність замикання між витками в обмотці ВН фази В приводить до різкого зменшення магнітної індукції в стрижні В із-за часткового перерозподілу магнітного потоку на стрижень З, до зниження амплітуди напруги і, як наслідок, до зменшення втрат в сталі магнітопроводу, в ізоляції, а також до зменшення постійної складової струму на "землю". Крім того, короткозамкнутий виток приводить до зміни частотних характеристик обмотки, що виявляється в стискуванні кривої струму. Така зміна форми

кривої підтверджується моделюванням імпульсних процесів з використанням схем заміщення з розподіленими параметрами. Стискування кривої також знижує інтегральне значення струму.

Наявність пробою на корпус, навпаки, приводить до різкого збільшення постійної складової струму на "землю".

Проведений теоретичний аналіз дозволяє ввести критерій (системну функцію), який характеризує ізоляцію як систему, яка

Рис. 2.4

може знаходитися в різних станах: справному, з частковим (починаючи з деякої напруги) пробоєм на корпус, з пробоями між витками:

(2.1.)

де як змінна виступає амплітуда що подається на обмотку НН фази р імпульсної напруги; Uтр - амплітуда напруги в обмотці НН фази р; Q - фаза, з обмотки ВН якою заміряється струм на землю i(Q).

Тк - тривалість коливань. При пробої між витками Rp(Q) зростає, при пробої на корпус, починаючи з деякого рівня напруги - убуває, спрямовуючись до нуля при подальшому підвищенні напруги. Використовуючи повний набір системних функцій можна будувати різні алгоритми діагностування стану ізоляції.

Так, з припущення наявності не більш за один дефект в ізоляції і за відсутності тестових таблиць, достатнім і мінімальним набором є: Rb(А), Rb(С), Ra(В). Алгоритм у вигляді схеми представлений на рис. 5.4.

З теоретичного розгляду відношення », « означають більше в 1,5 разу, менше в 1,5 разу відповідно, 1с = 1,33 - коефіцієнт приведення, що враховує не однаковий розподіл магнітного потоку при подачі імпульсу на низьковольтну обмотку середнього і крайнього стрижня.

Для інженерної реалізації запропонованої методики був розроблений і виготовлений пристрій діагностування ізоляції трансформаторів[2].

Рис. 2.5.

Пристрій складається з генератора одиночних імпульсів струму і вимірювального блоку. Випробування проводяться на різних ступенях, відповідних різному рівню напруги від 150 до 900В до якого заряджений конденсатор генератора. Значення системної функції для кожного значення напруги висвічується на індикаторі.

Стрибкоподібна поведінка системної функції з падінням в нуль свідчить про наявність часткового пробою на корпус, який може не виявлятися при низькому значенні напруги, що подається. Таким чином, відстеження характеру поведінки системної функції дає додаткову інформацію про стан ізоляції.

Були проведені експериментальні дослідження на різних трансформаторах. Спочатку імпульс подається на низьковольтну обмотку середнього стрижня, по черзі тестуються високовольтні обмотки крайніх стрижнів, для кожного ступеня (рівня напруги) записується значення системної функції. Далі імпульс подається на низьковольтну обмотку крайнього стрижня, тестується високовольтна обмотка середнього стрижня.

У табл. 2.1. приведені дані для трансформатора ТСЗП-2500/10.

З табл. 2.1. видно, що при пробої між витками значення системної функції збільшується більш, ніж в 1,5 разу в порівнянні з нормальним станом.

У табл. 2.2. приведені дані для іншого трансформатора ТСЗП-2500/10, у якого є частковий пробій на корпус. Це добре видно по значеннях Rb(С) стрибкоподібна поведінка, різке падіння значень (більш ніж в 1,5 разу в порівнянні з нормальним станом) при збільшенні напруги, що подається.

Наявність виявлених дефектів підтверджувалася стандартною програмою випробувань на стаціонарному стенді.

З допомогою пристрою можна виявити погіршення ізоляції в поперечному напрямі: збільшення втрат, що виявляється в зменшенні значень системної функції.

Таблиця 2.1.

СтупіньRb(А)Rb(С)Ra(В)Б.д.*Пр.**АБ.дПр.СБ.дПр.В1 2 3 4 5 612.1 10.2 9.1 7.0 7.0 6.325.1 24.3 21.2 17.3 15.3 14.39.2 8.1 7.1 6.2 5.2 5.125.1 17.2 15.1 13.1 11.1 10.09.2 7.3 6.3 5.1 4.1 4.025.1 19.1 16.3 14.3 12.2 11.1* Б.д. - обмотка без дефектів; ** Ін. - пробій в ізоляціїТаблиця 2.2.

СтупіньRb(А)Rb(С)Ra(В)Б.д.Пр.АБ.д.Ін. ЗБ.д.Пр.В112,025,19,27,19,225,129,124,38,36,37,419,238,116,37,10,16,316,247,115,16,33,45,314,457,013,15,204,313,066,312,15,004,011,1

Рис. 2.6

На рис. 2.6. представлені графіки значень системної функції для обмотки однієї і тієї ж фази, відповідні різному стану ізоляції: крива 7 -е замикання між витками, крива 2 - нормальний стан, крива 3 - збільшення втрат в поперечній ізоляції (ізоляція між обмоткою і сердечником), крива 4 - пробій на корпус. Крива 3 представляє випадок початку погіршення ізоляції, реєстрація погіршення ізоляції проводиться, коли значення залежності 3 менше відповідних значень залежності 2 в 1,5 разу.

Дана методика, що має малогабаритну переносну апаратну реалізацію, підходить для всіх типів 3х стрижньових силових трансформаторів, а введення системної функції дає можливість уникнути візуальних спостережень за зміною форм кривих, а також складної математичної обробки сигналів. В цьому випадку краще використати інші методи випробувань.

2.5 Випробування індукованою напругою

При випробуванні ізоляції прикладеною напругою залишається невипробуваній так звана «подовжня ізоляція обмотки», тобто ізоляція обмотки між витками, шарами, окремими секціями і фазами. Випробувальну напругу між витками можна отримати тільки індукованою напругою. Ця ізоляція залежно від конструкції обмотки, розташування витків і величини напруги на виток піддається дії напругою різної величини.

Припустимо, що до обмотки підведена напругу на кожний виток 10 В. Напруга між двома сусідніми витками в обох обмотках буде рівна напрузі двох витків, тобто 20 В. Напруга між витками різних шарів в шаровій обмотці 5 і 6, 4 і 7, 3 і 8. 2 і 9, 1 і 10 буде рівна 20, 40, 60, 80 і 100 В.

Такий же розподіл напруги буде і між витками інших шарів. Отже, найбільша напруга між шарами в обмотці рівна 100 В.

В безперервній обмотці найбільша напруга буде в каналі між секціями, причому так само, як і в першому випадку, вона неоднакова у всіх випадках. Так, між витками 7 і 8, 6 і 9, 5 і 10, 4 і 11, 3 і 12, 2 і 13, 1 і 14 напруга буде рівна 20, 40, 60, 80, 100, 120 і 140 В.

Число витків, шарів і напруга на виток в даному випадку прийняті довільно тільки для того, щоб принципово розглянути розподіл напруг.

Насправді ж напруга між шарами і секціями буває значно більша і може досягати декількох кіловольтів. Як правило, величина випробувальної напруги не повинна перевершувати подвійної номінальної через небезпеку перекриття між фазами.

При цьому випробуванні до однієї з обмоток підводять подвійну номінальну напругу цієї обмотки, а друга обмотка залишається розімкненою. Обидві обмотки в цьому випадку знаходяться під напругою, пропорційною числу їх витків. Звичайно зручніше підводити напругу до обмотки НН.

Проводити випробування подвійною індукованою напругою при частоті 50 Гц практично неможливо.

Привести трансформатор до подвійної номінальної напруги при частоті 50 Гц практично неможливо, оскільки струм холостого ходу через велику індукцію в магнітопроводі перевищуватиме у багато разів номінальний струм трансформатора, що може привести до його пошкодження.

Тому треба мати нагоду привести трансформатор до подвійної напруги без незначного збільшення індукції.

Відомо, що

(2. 2)

де Е - діюче значення е. р. с.; К - коефіцієнт пропорційності, рівний добутку числа витків обмотки, перетину сердечника (см2) і числа 4,44; f частота; В - індукція.

Оскільки

(2. 3)

то для того, щоб зберегти індукцію при подвійній напрузі трансформатора, необхідно збільшити частоту в 2 рази.

Зважаючи на це випробування індукованою напругою проводяться при частоті, підвищеній не менше ніж в 2 раз, тобто не менше 100 Гц протягом 1 мин. Випробування може проводитися при частоті, перевищуючій 100 Гц, тривалість випробування зменшується в цьому випадку обернено пропорційно до частоти

;

де f ' - частота (більше 100 Гц), при якій проводилося випробування; t-тривалість випробування, с.

Таким чином, тривалість випробування при частоті:

Гц..... 60 c

150 Гц..... 40 с

Гц..... 30 с

250 Гц..... 24 с

При збільшенні частоти до 400 Гц тривалість випробування не повинна бути менше 20 с. Випробування при частоті вище 400 Гц не проводиться у зв'язку з різким збільшенням втрат в сталі магнітопроводу.

Через можливість пробою ізоляції неприпустимо в процесі збірки випробовувати подвійною індукованою напругою активну частину трансформатора, який повинен бути заповнений маслом після збірки. Виткову і між секційну ізоляцію до запаювання схеми випробовують номінальною або підвищеною на 20-30 % напругою при частоті 50 Гц. При цьому обмотка ВН повинна бути розділена на частини щоб уникнути виникнення на кінцях обмотки дуже високої напруги і можливих перекриттів і пошкоджень ізоляції. Кінці роз'єднаних котушок повинні бути достатньо віддалені один від одного, щоб між ними не виникло перекриття.

Якщо трансформатор на номінальну напругу 35 кВ виготовлений з циліндровими обмотками, то випробовувати його без масла можна напругою не більше 40 % від номінальної.

Принципова схема випробування індукованою напругою приведена на рис. 2.7

Рис. 2.7 Схема випробування індукованою напругою

Виміряти напруги і струми можна і через вимірювальні трансформатори.

Тут слід зазначити дві основні особливості, відрізняючи схему випробування індукованою напругою від схеми досліду холостого ходу:

1. Оскільки при випробуванні індукованою напругою величина струму не вимірюється, а контролюється лише відсутність виткових замикань або грубих помилок в схемі, то амперметри можуть застосовуватися класу точності 1,5?2,5.

2.Амперметри повинні бути постійно включені в три фази. Перемикання одного амперметра на три фази, як це робиться при досліді холостого ходу, при випробуванні індукованою напругою неприпустимо, оскільки окремі поштовхи струму в одній фазі можуть залишитися непоміченими, якщо в цей час амперметр буде включений в іншу фазу.

При випробуванні ізоляції індукованою напругою трансформатор вважається тим, що витримав випробування, якщо не спостерігалося:

а) поштовхів струму;

б) порушення симетрії напруги по фазах (у трифазних трансформаторів);

в) виділення диму з отвору розширювача або кришки (якщо немає розширювача, які при випробуванні повинні бути відкриті);

г) перекриття на кулях (якщо трансформатор під час випробування був захищений кульовим розрядником).

Навіть в тих випадках, коли спостерігається миттєвий поштовх струму при випробуванні, а надалі трансформатор витримує випробування, він підлягає обов'язковому розбиранню, огляду і усуненню дефекту. Слід врахувати, що виткові замикання можуть «самоусунутися» в результаті часткового або повного вигоряння заусениць на обмотувальній міді, заповнення пробитого проміжку маслом і т.д. Подальшими випробуваннями такий дефект (замикання між витками , що «самоусунулося») не завжди може бути знайдений, але в експлуатації трансформатор може дуже швидко вийти з ладу. Тому, навіть в тих випадках, коли при повторних випробуваннях замикання між витками замикання не повторюється, трансформатор повинен бути обов'язково розібраний для визначення місця пошкодження і усунення дефекту.

Основним дефектом, який виявляється при такому випробуванні, є замикання між витками або між шарами обмотки, а також між відведеннями. Дуже важливо до розбирання трансформатора вимірюваннями струмів і напруг по фазах встановити, в якій саме фазі дефект або в якій фазі відбувся поштовх струму. Потім ця фаза піддається ретельному огляду. Дефектне місце обмотки може бути визначено методом «шукача».

Замикання між витками і шарами можуть бути викликані конструктивними недоліками, неправильним вибором ізоляції і дефектами виконання.

Найчастішими дефектами складання є: пошкодження ізоляції на обмотувальній міді; неправильне укладання витків в обмотці і неправильне виконання переходів між секціями; заусенці на обмотувальній міді; пошкодження ізоляції між витками унаслідок надмірного тиску при пресуванні обмотки. Якщо спостерігається дуже великий струм відразу при включенні трансформатора при дуже малій напрузі, то це може бути результатом неправильного з'єднання обмоток трансформатора. В подібних випадках необхідно до повного розбирання перевірити правильність схеми обмоток.

Апаратурний контроль залишкового ресурсу трансформатора

В даний час велику увагу при роботі пристроїв залізничного транспорту надається надійності. В сучасних умовах кожна відмова викликає збиток у багато разів більший, ніж раніше. Тому питанню поточного контролю за станом устаткування, зокрема трансформатора тягових підстанцій, надається велике значення.

Хоча трансформатор є одним з найнадійніших апаратів пристроїв системи електропостачання, його ефективна і надійна робота залежить від правильного вибору номінальної трансформаторної потужності і правильної його експлуатації.

Вибір потужності трансформатора вище і нижче необхідної веде до економічних втрат. В першому випадку не повністю використовується трансформатор по енергетичних параметрах, а це значить, що омертвлена деяка частина дефіцитних матеріалів. В іншому випадку відбувається прискорений знос ізоляції, що веде до швидкого виходу трансформатора з ладу.

По своїх енергетичних параметрах трансформатор повинен бути вибраний так, щоб він прослужив 25 років. Цьому відповідає середня відносна швидкість зносу ізоляції рівна 1.

В реальних же умовах, режим роботи трансформатора міняється, виникають вимушені режими, пов'язані з прискореним зносом ізоляції. У зв'язку з цим надзвичайно важливо контролювати використовування ресурсу трансформатора і визначати ресурс, що залишився.

Це дозволить оперативно вибирати ефективні способи підвищення пропускної спроможності за системою електропостачання у вимушених режимах. Крім того, такий контроль дозволить планувати терміни посилення трансформаторної потужності тягових підстанцій.

Математична модель процесу зносу ізоляції представлена наступними виразами:

Швидкість відносного зносу ізоляції трансформатора

Х = A.e? ? ( 2.4 )

Відносний знос за час Т визначається з виразу

( 2.5)

де:

А? коефіцієнт пропорційності;

? ? коефіцієнт, залежний від типу ізоляції;

? ? температура самої нагрітої точки обмотки.

Як видно з виразів (І) і (2) швидкість відносного зносу і відповідно відносний знос залежить від температури обмотки, яка визначається

? = ?м + ?мо

де:

?м ? температура масла;

?мо ? перевищення температури обмотки відносно масла.

Основна задача, це визначити перегрів обмотки над маслом, оскільки температура масла може бути зміряна безпосередньо з перетворенням в електричний сигнал.

Вихідним рівнянням за визначенням ?мо є диференціальне

рівняння нагрівання обмотки

? · d?/dt + ? = ?у ( 2.6)

де:

? ? постійна часу теплового процесу;

?у ? стале значення перевищення температури обмотки над маслом.

При переході від диференціального рівняння до рівняння в кінцевих різницях маємо:

? · ??моі / ?t + ?моіср = ?моу ( 2.7)

Значення ?моіср, як видно з мал.1, рівно:

?моіср = ?моі-1 + ??моі / 2 ( 2.8)

?моіср ?моі ??моі

?моі-1

і-1 ?t і

Рис. 2.8 Визначення середнього перевищення температури обмотки над маслом на і-том кроці

При цьому вважаємо, що величина ? в діапазоні ?t змінюється лінійно.

Підставивши ?моіср з (2.5) в (2.4), маємо:

? · ??моі / ?t + ?моі-1 + ??моі / 2 = ?у

Вирішуючи це рівняння відносно ??моі

??моі = с(?у ? ?моі-1),

де

с = 1 / (2?/?t + 1)

тоді

?моі = ?моі-1 + ??моі

чи

?моі = с ?у + ?моі-1(1? с)

але

?у = а · К2 + в,

де

К=Іоб/ Ін ? відношення струмів обмотки і номінального

а і в ? коефіцієнти рівняння, а = 22,5; в = 0,5.

Температура обмотки буде дорівнювати

?оі = ?моі + ?м = ?моі-1 + ??моі + ?м

Температура масла ?м ? вимірюється датчиком.

При чисельній інтеграції рівняння зносу ізоляції можна записати у вигляді

? ?t

де

? середня швидкість зносу на і ? му кроці за ?t ;

= = =

Розкладемо в ряд

?

Розглянемо точність вимірювання залежно від кількості членів ряду.

Для обмотки: при ?t = 0,5 мин.; при ? = 5 мин.

; ;

Згідно виразу ?у = 22,5 · К2 + 0,5 при номінальному навантаженні ?у = 23 °С.

Тому із запасом приймемо ?уі = 23 °С; ?і-1 = 0;

Тоді ;

Отже третім членом розкладання можна нехтувати.

Тоді середню швидкість зносу на і ? му кроці можна визначити по формулі:

;

Виходячи з викладеного, пропонується наступний алгоритм розрахунку швидкості зносу і відносного зносу ізоляції трансформаторів, рахуючи ?, с, Ін відомими величинами.

Функціональна схема пристрою, реалізовуючого запропонований алгоритм представлена на рис.2.9, в блоках якої виконуються наступні етапи алгоритму:

?мі

об

Рис. 2.9 Функціональна схема

3. Методи визначення місця короткого замикання тягового трансформатора

Дослідження методів короткого замикання є іншим граничним режимом роботи трансформатора, який поряд з дослідженням ходу дозволяє визначити параметри трансформатора при будь-якому навантаженні. При дослідженні короткого замикання вторинну обмотку трансформатора замикають накоротко, а до первинної обмотки підводять таку знижену напругу при якій в обмотках протікають номінальні струми. Цю напругу називають напругою короткого замикання і виражають у відсотках від номінальної:

.

Відповідно до стандарту напруга короткого замикання має знаходитись в межах від 5,5 до 10,5%. При такій малій напрузі магнітний потік настільки незначний, що намагнічуючий струм близький до 0. Тому можна вважати, що намагнічуюча сила первинної обмотки трансформатора йде тільки на компенсацію намагнічуючої сили вторинної обмотки. Нехтуючи намагнічуючим струмом при дослідженні короткого замикання можна записати рівність тобто струм первинної обмотки дорівнює приведеному струму вторинної обмотки з оберненим знайомий.

При дослідженні короткого замикання для зниження напруги використовують індукційні регулятори, автотрансформатори і т.з. У коло первинної обмотки вмикають амперметри А, вольтметри V і ватметри W. Для більшої точності виміру як первинну використовують обмотку вищої напруги. Напруга короткого замикання складає всього декілька процентів від номінального значення, тому на обмотці вищої напруги вона може вимірюватися з більш високою точністю, ніж на обмотці нижчої напруги. Крім того, для підвищення точності виміру вторинну обмотку замикають накоротко шиною з малим опором. Підключення амперметрів та інших приладів у коло вторинної обмотки недопустиме, оскільки це знижує точність вимірів.

Визначення короткого замикання трансформатора дозволяє встановити напругу короткого замикання втрати в обмотках і опори короткого замикання

Напругу короткого замикання визначають за показаннями вольтметра при номінальному струмі трансформатора. За величину напруги короткого замикання беруть середнє арифметичне значення трьох напруг:

.

Втрати в обмотках визначають за показаннями ватметра. При дослідженні короткого замикання корисна потужність трансформатора дорівнює нулю, а втрати потужності в сталі дуже малі, оскільки малий магнітний потік у магнітопроводі. Таким чином, споживана трансформатором потужність при дослідженні короткого замикання витрачається переважно на нагрів обмоток (втрати в міді ):

,

де - номінальний струм первинної обмотки.

Активній опір короткого замикання

,

повний опір

,

індуктивний опір

.

Якщо визначення короткого замикання проводять на «холодному» (непрацюючому) трансформаторі, то параметри короткого замикання треба привести до робочої температури (75°С), бо при зміні температури змінюються активний опір і втрати в обмотках. Приведення активного опору і потужності втрат в обмотках до температури 75°С проводять за формулами

; ,

де - температура обмотки при дослідженні короткого замикання.

Оскільки реактивний опір обмоток не залежить від температури, то повний опір при температурі 75°С

Напруга короткого замикання, його активна і реактивна складові у відсотках при температурі 75°С дорівнюють:

;

,

.

При випробуванні трифазного трансформатора у всі вирази підставляють фазні значення струму, напруги і потужності для однієї фази.

Співвідношення активних і реактивних складових опору та складових напруги короткого замикання залежать від номінальної потужності трансформатора. У трансформаторів малої потужності (до декількох кіловольт-ампер) активний опір більше реактивного і активна складова напруги короткого замикання більше реактивної складової . Для трансформаторів великих потужностей (сотні й тисячі кіловольт-ампер) співвідношення обернене, тобто і . Із зростанням номінальної потужності збільшуються площа перерізу обмоток, тому що збільшуються їх номінальні струми. Оскільки активний опір, який обернено, пропорційний площі перерізу обмотки, зменшується, то і активна складова напруги короткого замикання також зменшується.

Реактивна складова напруги короткого замикання із зростанням потужності трансформатора збільшується. Чим вище номінальна потужність, тим більша площа перерізу його обмоток а також простір, який займають. Тому при цьому збільшуються як потоки розсіювання, так і реактивна складова напруги короткого замикання трансформатора.

Реактивна складова напруги короткого замикання залежить також від робочих напруг обмоток, збільшуючись із зростанням напруги. Так, для трансформаторів з номінальною потужністю 180 кВА при напрузі первинної і вторинної обмоток 35 і 3,15 кВ реактивна складова напруги короткого замикання = 3,8%, а при напрузі обмоток 35 і 10,5 = 6%. Це пояснюється тим, що при збільшенні робочих напруг обмоток зростають ізоляційні проміжки, що збільшує потоки розсіювання і реактивні опори обмоток.

4. Методика розрахунку частоти генератора, що підключається до обмотки трансформатора, що тестується

.1 Визначення наявності короткозамкнених витків в обмотці трансформатора без відключення напруги живлення

Діагностування обмотки трансформатора на наявність короткозамкнених витків можливо шляхом подачі напруги синусоїдальної форми, через високовольтний конденсатор, на цю обмотку (рис.4.3). Змінюючи частоту генератора до виникнення резонансу, вимірюється добротність контуру на цій частоті. Це значення записується в паспорт трансформатора. Надалі, вимірюючи добротність контуру, у складі якого включена обмотка трансформатора, можна робити висновки про наявність чи відсутність пошкоджень трансформатора. Для визначення в якій з обмоток є ушкодження, необхідно провести вимірювання добротності всіх обмоток трансформатора.

4.1.1 Застосування послідовного коливального контуру

Як відомо, найпростішими резонансними (або коливальними) ланцюгами є послідовний і паралельний коливальні контури. Розглянемо ланцюг, що складається з, послідовно включених, котушки індуктивності та конденсатора (рис.4.1). При впливі на такий ланцюг змінної (у найпростішому випадку гармонійного) напруги, через котушку і конденсатор буде протікати змінний струм, величина (амплітуда) якого може бути обчислена відповідно до закону Ома: I = U / | Х? |, де | Х? | - модуль суми реактивних опорів послідовно включених котушки і конденсатора. На рис.4.2 наведено залежності реактивних опорів котушки XL та конденсатора ХC від кругової частоти ?, а також графік залежності від частоти ? їх алгебраїчної суми Х?. Останній графік, по суті, показує залежність від частоти загального реактивного опору кола, зображеної на рис. 1. З цього графіка видно, що на деякій частоті ? = ?р, на якій реактивні опори котушки і конденсатора рівні по модулю, загальний опір кола

звертається в нуль. На цій частоті в ланцюзі спостерігається максимум струму, який обмежений тільки омічними втратами в котушці індуктивності (тобто опором проводу обмотки котушки) і внутрішнім опором джерела струму (генератора). Таку частоту, при якій спостерігається розглянуте явище, так зване в фізиці резонансом, називають резонансною частотою або власною частотою коливань ланцюга, а сам ланцюг, зображений на рис.4.1, прийнято називати послідовним коливальним контуром. Також, з рис.4.2 видно, що на частотах нижче частоти резонансу реактивний опір послідовного коливального контуру носить ємнісний характер, а на більш високих частотах - індуктивний. Що стосується самої резонансної частоти, то вона може бути обчислена за допомогою відомої формули Томсона: ?р = 1/?(LC).

Рис. 4.1 Послідовний коливальний контур

Рис.4.2 Залежність реактивних опорів котушки XL та конденсатора ХC від кругової частоти ?

На рис.4.3 зображена еквівалентна схема послідовного резонансного контуру з урахуванням омічних втрат r, підключеного до ідеального

генератора гармонійної напруги з амплітудою U. Модуль повного опору (імпедансу) такого ланцюга визначається наступним чином:

| z | = ? (r2 + | X? | 2), де | X? | = ?L-1/?C.

Очевидно, що на резонансній частоті, коли величини реактивних опорів котушки XL = j?L і конденсатора ХC = -j/?С рівні по модулю, величина | X? | звертається в нуль (отже, опір ланцюга чисто активне), а струм у ланцюзі визначаться відношенням амплітуди напруги генератора до опору омічних втрат: I = U / r. При цьому на котушці і на конденсаторі, в яких запасена реактивна електрична енергія, падає однакова напруга

= UC = I | XL | = I | XC |

На будь-якій іншій частоті, відмінною від резонансної, напруги на котушці і конденсаторі неоднакові - вони визначаються амплітудою струму в ланцюзі і величинами модулів реактивних опорів | XL | і | XC |. Тож резонанс у послідовному коливальному контурі прийнято називати резонансом напруг. З урахуванням наведеного запису для імпедансу ланцюга можна навести часто визначення резонансної частоти яке часто зустрічається: резонансною частотою контуру називають таку частоту, на якій опір контуру має чисто активний (резистивний) характер.

Рис.4.3 Еквівалентна схема послідовного резонансного контуру

Одними з найбільш важливих параметрів коливального контуру (крім, зрозуміло, резонансної частоти) є його характеристичний опір ? і добротність Q. Характеристичним опором контуру ? називається величина модуля реактивного опору ємності й індуктивності контуру на резонансній частоті:

? = | ХL | = | ХC | при ? = ?р.

У загальному випадку характеристичний опір може бути обчислено таким чином: ? = ? (LC).

Характеристичний опір ? є кількісною мірою оцінки енергії, запасеної реактивними елементами контуру - котушкою (енергія магнітного поля) WL = (LI2) / 2 і конденсатором (енергія електричного поля) WC = (CU2) / 2. Відношення енергії, запасеної реактивними елементами контуру, до енергії омічних (резистивних) втрат за період прийнято називати добротністю Q контуру, що в буквальному перекладі з англійської мови означає "якість". Величину, зворотну добротності d = 1 / Q називають загасанням контуру. Для визначення добротності зазвичай користуються формулою Q = ? / r, де r-опір омічних втрат контуру, що характеризує потужність резистивних (активних втрат) контуру Р = I2r. Добротність реальних коливальних контурів, виконаних на дискретних котушках індуктивності і конденсаторах, складає від декількох одиниць до сотні і більше. Добротність різних коливальних систем, побудованих на принципі п'єзоелектричних та інших ефектів (наприклад, кварцові резонатори) може досягати декількох тисяч і більше.

Рис.4.4 а

Рис.4.4 б

Рис.4.5 а Рис.4.5 б

Частотні властивості різних ланцюгів в техніці прийнято оцінювати за допомогою амплітудно-частотних характеристик (АЧХ). На рис.4.4а та рис.4.4б представлені два найпростіших чотириполюсника, що містять послідовний коливальний контур. АЧХ цих ланцюгів наведені (показані суцільними лініями) на рис.4.5а і рис.4.5б відповідно. По вертикальній осі відкладена величина коефіцієнта передачі ланцюга за напругою К, що показує відношення вихідної напруги ланцюга до вхідної. Для пасивних ланцюгів (не тобто містять підсилювальних елементів і джерел енергії), величина К ніколи не перевищує одиницю. Очевидно, що опір ланцюга на рис.4.4а змінному струму буде мінімально при частоті впливу, рівній резонансній частоті контуру. У цьому випадку коефіцієнт передачі ланцюга близький до одиниці (визначається омічними втратами в контурі). На частотах, що сильно відрізняються від резонансної, опір контуру змінному струму досить великий, а отже, і коефіцієнт передачі ланцюга буде падати практично до нуля. При резонансі в ланцюзі, зображеному на рис.4.4б, джерело вхідного сигналу виявляється фактично замкнутим накоротко малим опором контуру, завдяки чому коефіцієнт передачі такого ланцюга на резонансній частоті падає практично до нуля (знову-таки в силу наявності кінцевого опору втрат). Навпаки, при частотах вхідного впливу, значно віддалених від резонансної, коефіцієнт передачі ланцюга виявляється близьким до одиниці. Властивість коливального контуру в значній мірі змінювати коефіцієнт передачі на частотах, близьких до резонансної,

широко використовується на практиці, коли потрібно виділити сигнал з конкретною частотою з безліч непотрібних сигналів, розташованих на інших частотах. Так, у будь-якому радіоприймачі за допомогою коливальних ланцюгів забезпечується настроювання на частоту потрібної радіостанції. Властивість коливального контуру виділяти з безліч частот одну прийнято називати селективністю або вибірковістю. При цьому інтенсивність зміни коефіцієнта передачі ланцюга при відбудові частоти впливу від резонансу прийнято оцінювати за допомогою параметра, званого смугою пропускання. Найчастіше за смугу пропускання приймається діапазон частот, у межах якого зменшення (або збільшення - в ??залежності від виду ланцюга) коефіцієнта передачі відносного його значення на резонансній частоті, не перевищує величини 0,707 (3дБ).

Пунктирними лініями на рис.4.5а і рис.4.5б показані АЧХ точно таких же ланцюгів, як на рис.4.4а та рис.4.4б відповідно, коливальні контури яких мають такі ж резонансні частоти, як і для випадку розглянутого вище, але володіють меншою добротністю (наприклад, котушка індуктивності намотана дротом, володіє великим опором постійному струму). Як видно з рис.4.5а і рис.4.5б, при цьому розширюється смуга пропускання ланцюга і погіршуються її селективні (виборчі) властивості. Виходячи з цього, при розрахунку і конструюванні коливальних контурів потрібно прагнути до підвищення їх добротності. Однак, в ряді випадків, добротність контуру, навпаки, доводиться занижувати (наприклад, включаючи послідовно з котушкою індуктивності резистор невеликої величини опору), що дозволяє уникнути спотворень широкосмугових сигналів. Хоча, якщо на практиці потрібно виділити достатньо широкосмуговий сигнал, селективні ланцюга, як правило, будуються не на одиночних коливальних контурах, а на більш складних пов'язаних (багатоконтурних) коливальних системах, в т.ч. багатоланкових фільтрах.

Для вимірювання добротності обмотки трансформатора можливе використання і схеми коли обмотка трансформатора включається в паралельний коливальний контур.

.1.2 Застосування паралельного коливального контуру

У різних радіотехнічних пристроях поряд з послідовними коливальними контурами часто (навіть частіше, ніж послідовні) застосовують паралельні коливальні контури. На рис. 6 наведена принципова схема паралельного коливального контуру. Тут паралельно включені два реактивних елемента з різним характером реактивності. Як відомо, при паралельному включенні елементів складати їх опори не можна - можна лише складати провідності. На рис.4.7 наведено графічні залежності реактивних провідностей котушки індуктивності BL = j / ?L, конденсатора ВС =-j?C, а також сумарної провідності В?, цих двох елементів, що є реактивною провідністю паралельного коливального контуру. Аналогічно, як і для послідовного коливального контуру, є деяка частота, звана резонансною, на якій реактивні опору (а значить і провідності) котушки і конденсатора однакові. На цій частоті сумарна провідність паралельного коливального контуру без втрат звертається в нуль. Це означає, що на цій частоті коливальний контур володіє нескінченно великим опором змінному струму. Дійсно, якщо побудувати залежність реактивного опору контуру від частоти X? = 1/B?, ця крива (рис.4.8) в точці ? = ?р буде мати розрив другого роду. Опір реального паралельного коливального контуру (з втратами), зрозуміло, не дорівнює нескінченності - воно тим менше, чим більше омічний опір втрат в контурі, зменшується прямо пропорційно зменшенню добротності контуру. В цілому, фізичний зміст понять добротності, характеристичного опору і резонансної частоти коливального контуру, а також їх розрахункові формули, справедливі як для послідовного, так і для паралельного коливального контуру.

Рис.4.6 Паралельний коливальний контур

Рис.4.7 Залежність реактивних провідностей котушки і конденсатора і сумарна провідність цих двох елементів

Рис.4.8 Залежність реактивного опору контуру від частоти

Розглянемо ланцюг, що складається з генератора гармонічних коливань та паралельного коливального контуру. У випадку, коли частота коливань генератора збігається з резонансною частотою контуру його індуктивна і ємнісна гілки надають рівний опір змінному струму, в наслідок чого струми в гілках контуру будуть однаковими. У цьому випадку говорять, що в ланцюзі має місце резонанс струмів. Як і у випадку послідовного коливального контуру, реактивності котушки і конденсатора компенсують один одного, і опір контуру протікаючого через нього струму стає чисто активним (резистивним). Величина цього опору визначається добутком добротності контуру на його характеристичний опір Rекв = Q ?. На частотах, відмінних від резонансної, опір контуру зменшується і набуває реактивний характер (рис4.8). На більш низьких частотах - індуктивний (оскільки реактивний опір індуктивності падає при зменшенні частоти), а на більш високих - навпаки, ємнісний (оскільки реактивний опір ємності падає з ростом частоти). У процесі роботи контуру, двічі за період коливань, відбувається енергетичний обмін між котушкою і конденсатором (рис.4.9). Енергія по черзі накопичується то у вигляді енергії електричного поля зарядженого конденсатора, то у вигляді енергії магнітного поля котушки індуктивності. При цьому в контурі протікає власний контурний струм Ік, що перевершує за величиною струм у зовнішньому ланцюзі I в Q раз. У разі ідеального контуру (без втрат), добротність якого теоретично нескінченна, величина контурного струму також буде нескінченно великою.

Рис.4.9 Процес роботи контуру

Рис. 4.10 а Рис.4.10 б

Розглянемо, як змінюються коефіцієнти передачі чотириполюсників, аналогічних наведеним на рис.4.4а та рис.4.4б, від частоти, при включенні в

них не послідовних коливальних контурів, а паралельних. Чотириполюсник, зображений на рис.4.10 а, на резонансній частоті контуру являє собою величезний опір току, тому при ? = ?р його коефіцієнт передачі буде близький до нуля (з урахуванням омічних втрат). На частотах, відмінних від резонансної, опір контуру буде зменшуватись, а коефіцієнт передачі чотириполюсника - зростати. Цей випадок відповідає графіку АЧХ, наведеним на розглянутому раніше рис.4.5б. Для чотириполюсника, наведеного на рис.4.10б, ситуація буде протилежною - на резонансній частоті контур буде являти собою дуже великий опір і практично вся вхідна напруга надійде на вихідні клеми (тобто коефіцієнт передачі буде максимальний і близький до одиниці). При значній відмінності частоти вхідного впливу від резонансної частоти контуру, джерело сигналу, що підключається до вхідних клем чотириполюсника, виявиться практично закорочене накоротко, а коефіцієнт передачі буде близький до нуля. АЧХ такого чотириполюсника відповідає характеристиці, зображеної на рис.4.5а.

4.2 Розрахунок оптимальної частоти генератора

Для визначення робочої частоти генератора необхідна інформація про значення індуктивності обмоток трансформатора, ємності ізолюючого конденсатора і робочої напруги. Аналіз технічних характеристик трансформаторів, індуктивності обмоток, після відповідного розрахунку див. додаток 1, показав, що робоча частота генератора перебуває в звуковому діапазоні частот. Такі характеристики має генератор, який використовується для виявлення кабелів закопаних на глибині до 2м. Такий генератор мається на складі трасошукача SEBA KMT це SEBA Ferrolux FLG 50. Генератор має автоматичний або ручний режими зміни частоти і працює в потрібному діапазоні частот. Робоча схема наведена на рис.4.3. Визначення добротності на відповідній частоті визначається по вимірювачу струму. Порівнюючи значення, отримані при тестуванні справних обмоток, визначаємо наявність або відсутність короткого замикання, навіть якщо воно не глухе.

4.2.1 Вибір принципової схеми

Відомо багато різновидів схем транзисторних генераторів типу LC, але будь-яка з них повинна містити: коливальну систему (зазвичай коливальний контур), в якій збуджуються необхідні незгасаючі коливання; джерело електричної енергії, за рахунок якого в контурі підтримуються незатухаючі коливання; транзистор, за допомогою якого регулюється подача енергії від джерела в контур; елемент зворотного зв'язку, за допомогою якого здійснюється подача необхідної збудливої змінної напруги з вихідного ланцюга у вхідний.

Найпростіша схема транзисторного генератора типу LC наведена на рисунку 4.11. Така схема називається генератором з трансформаторним зв'язком і використовується зазвичай в діапазоні високих частот.

Елементи R1, R2, R3 і С2 призначені для забезпечення необхідного режиму по постійному струму і його термостабілізації. За допомогою конденсатора С1 ємнісний опір, якого на високій частоті незначно, заземлюється один кінець базової обмотки. У момент вмикання джерела живлення в колекторному ланцюзі транзистора з'являється струм IK, що заряджає конденсатор С3 коливального контуру. Так як до конденсатора підключена котушка L1, то після заряду він починає розряджатися на котушку. В результаті обміну енергією між конденсатором і котушкою в контурі виникають вільні затухаючі коливання, частота яких визначається параметрами контуру

(4.1)

Рис. 4.11- Транзисторний автогенератор

Змінний струм контуру, проходячи через котушку L1, створює навколо неї змінне магнітне поле. Внаслідок цього в котушці зворотного зв'язку L2, включеної в ланцюг бази транзистора, наводиться змінна напруга тієї ж частоти, з якою відбуваються коливання в контурі. Ця напруга викликає пульсацію струму колектора, в якому з'являється змінна складова.

Змінна складова колекторного струму заповнює втрати енергії в контурі, створюючи на ньому посилену транзистором змінну напругу. Це приводить до нового наростання напруги на котушці зв'язку L2, яке тягне за собою нове наростання амплітуди струму колектора і т.д.

Наростання колекторного струму спостерігається лише в межах активної ділянки вихідної характеристики транзистора. Що ж стосується амплітуди коливань в контурі, то її ріст обмежується опором втрат контуру, а також загасанням, внесеним в контур за рахунок протікання струму в базовій обмотці.

Незатухаючі коливання в контурі автогенератора встановляться лише при виконанні двох основних умов, які отримали назву умов самозбудження.

Першу з цих умов називають умовою балансу фаз. Сутність його зводиться до того, що в схемі повинен бути встановлений ??саме позитивний зворотний зв'язок між вихідним та вхідним ланцюгами транзистора. Тільки в цьому випадку створюються необхідні передумови для поповнення втрат енергії в контурі.

Оскільки резонансний опір паралельного контуру носить чисто активний характер, то при впливі на базу сигналу з частотою, рівній частоті резонансу, напруга на колекторі буде зміщено по фазі на 180о. Напруга, яка наводиться на базовій котушці за рахунок струму IK, що протікає через контурну котушку L1, дорівнює:

(4.2)

де М - коефіцієнт взаємоіндукції між котушками.

Очевидно, необхідно так вибрати напрямок намотування базової котушки, щоб . Тільки в цьому випадку загальний фазовий зсув в ланцюзі підсилювач - зворотний зв'язок буде дорівнює нулю, тобто в схемі буде встановлений ??позитивна зворотній зв'язок. Якщо ж , то зворотний зв'язок виявиться негативним і коливання в контурі припиняться.

На практиці виконання умови балансу фаз досягається відповідним включенням кінців котушок L1 і L2. При відсутності самозбудження необхідно поміняти місцями кінці котушки зв'язку L2. При цьому автогенератор повинен самозбудится, якщо в схемі немає інших несправностей. Виконання умови балансу фаз є необхідною, але недостатньою для самозбудження схемою. Друга умова самозбудження полягає в тому, що для існування автоколивального режиму ослаблення сигналу, що вноситься ланцюгом ОС, повинно компенсуватися. Іншими словами, глибина позитивної ОС повинна бути такою, щоб втрати енергії в контурі виконувались повністю.

При наявності ОС коефіцієнт підсилення дорівнює

(4.3)

де - коефіцієнт посилення підсилювача без зворотного зв'язку; - коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку.

Для розглянутої схеми коефіцієнт , показує, яка частина змінної напруги контуру подається на базу транзистора в сталому режимі роботи, дорівнює:

(4.4)

де - амплітуда струму в контурі автогенератора.

Враховуючи, що підсилювач з позитивним зворотним зв'язком переходить в режим генерації за умови , отримуємо значення коефіцієнта передачі ланцюга зворотного зв'язку, необхідне для самозбудження,

. (4.5)

Умова самозбудження, виражене формулою (4.5), називають умовою балансу амплітуд.

Вибір енергетичного режиму генератора. Транзисторний автогенератор типу LC може працювати в різних режимах. Для установки відповідного режиму вибирається коефіцієнт використання колекторної напруги . Цей коефіцієнт дорівнює відношенню амплітуди змінної напруги на контурі до постійної напруги на колекторі ЕК

. (4.6)

Рис. 4.12 - Графіки залежності коефіцієнтів розкладання імпульсів струму

При встановлюється недонапружений режим роботи автогенератора. При режим роботи називають перенапруженням. Зазвичай використовується критичний режим роботи автогенератора. У цьому випадку автогенератор віддає необхідну корисну потужність при досить високому ККД. Форма струму в колекторному ланцюзі автогенератора залежить від режиму роботи. Якщо струм проходить протягом всього періоду напруга на вході, то коливання його мають синусоїдальну форму і їх називають коливаннями першого роду. Цей режим характеризується малим ККД і тому в автогенераторах використовується рідко. Більш вигідним є режим коливань другого роду з відсіченням колекторного струму. Кут відсічення колекторного струму транзистора в критичному режимі складає .

Відомо, що струм, що має форму імпульсів, можна розкласти в ряд Фур'є і представити у вигляді суми постійного струму, змінного струму тієї ж частоти, що і частота повторення імпульсів, змінного струму подвоєної частоти, а так само змінних струмів більш високих частот. Важливо відзначити, що саме перша гармоніка струму створює на контурі генератора змінну напругу необхідної частоти, амплітуда якого визначається за формулою

, (4.7)

де - резонансний опір контуру автогенератора.

Для струмів інших частот контур має малий опір і струми цих частот проходячи через контур, не створюючи на ньому помітної напруги. Таким чином, незважаючи на те, що струм колектора за формою відрізняється від синусоїдального, коливальна напруга на контурі виявляється синусоїдальною.

Амплітуду першої гармоніки, а також величину постійної складової імпульсного струму можна знайти за допомогою коефіцієнтів розкладання и , залежних від кута відсічення рисунок 4.12.

Між амплітудним значенням першої гармоніки струму , постійної складової струму і максимальним значенням імпульсного струму існують співвідношення

; ( 4.8)

(4.9)

Важливими параметрами є також крутизна характеристики струму колектора

при (4.10)

Головну особливість роботи транзистора на високих частотах складає вплив часу пробігу носіїв струму. Це час невеликий і на порівняно низьких частотах ним можна знехтувати, але з підвищенням частоти вплив значно збільшується. Дія часу проявляється, насамперед, у тому, що заряди, інжектованих емітером в один і той же момент часу, приходять до колектора в різний час. З'являється розсіювання носіїв струму, яке призводить до зменшення коефіцієнта підсилення транзистора по струму, тим більш сильному, чим вище частота генерованих коливань. Інерційність носіїв струму приводить також до виникнення між першою гармонікою колекторного струму і колекторною напруги на контурі фазового зсуву ?пр, що залежить від часу руху носіїв струму.

Істотний вплив на роботу транзисторного генератора в області високих частот надають ємності емітерного і колекторного p - n переходів транзистора. З підвищенням частоти для підтримки на необхідному рівні колекторного струму і корисної потужності на виході генератора необхідно збільшити амплітуду напруги збудження на ділянці база - емітер.

4.2.2 Електричний розрахунок схеми

Порядок розрахунку LC-генератора на транзисторі. Основними технічними даними для розрахунку транзисторного LC-генератора є: вихідна потужність, що віддається автогенератором в навантаження, Рвих і частота генерованих коливань fр.

. Вибираємо тип транзистора. При заданому значенні Рвих потужність Рк, яку повинен віддати транзистор в контур, становить

РК =Рвых/?к, (4.11)

Вт

Де ?к, - КПД контуру.

При підвищених вимогах до стабільності частоти автогенератора ККД контуру ?к вибирають в межах 0,1 ... 1,2. В інших випадках його можна збільшити до 0,5…0,8.

Вибираючи транзистор, необхідно виходити з умов

РК max >PK , (4.12)?fp, (4.13)

де РК max - максимально допустима розсіює потужність колектора обраного транзистора; fmax - максимальна частота генерації біполярного транзистора; вибраного типу. Параметри РК max = 0,4Вт. и fmax = 200 МГц. високочастотних транзисторів наведені в довіднику по напівпровідниковим приладам (взяли транзистор КТ 668В, або його аналог BС393)

. Розраховуємо енергетичний режим роботи генератора. Вибираємо імпульс колекторного струму косинусоїдальної форми. Вважаючи, що в критичному режимі кут відсічення струму колектора ? = 90 °, по графіках рис.4.2 знаходимо коефіцієнти розкладу імпульсу колекторного струму ?1=0,5; ?0=0,318.

Знаходимо усереднений час руху ?п носіїв струму між pn переходами транзистора за формулою

?п?1/2?fmax (4.14)

c

Обчислюємо кут пробігу носіїв струму

?пр=2?fр?п (4.15)

Обчислене за формулою (4.15) значення ?пр висловлюємо в градусах. При цьому враховуємо, що при ?пр = 2? кут ?пр = 360 °. Знаходимо кут відсічення струму емітера

?э=?-?°пр (4.16)

;

По графікам рис. 4.2 визначаємо коефіцієнти розкладу імпульсу емітерного струму ?1(Э) и ?0(Э)

Напруга живлення можна визначити за формулою (4.17) при цьому Uk беремо в межах 0,8…1,2 В:

(4.17)

;

Коефіцієнт використання колекторної напруги вибираємо зі співвідношення:

?=1-2Рк/Ек2Sкр?1 (4.18)

;

де Sкр - крутизна лінії критичного режиму зворотного транзистора (при відсутності даного параметра в довіднику значення Sкр визначають графічно в сімействі ідеалізованих вихідних характеристик транзистора; із довідника візьмемо Sкр=0,03).

Визначаємо основні електричні параметри режиму:амплітуду змінної напруги контурі

мк=?|Ek|; (4.19)

амплітуду першої гармоніки колекторного струму

m=2PK/Umk; (4.20)

;

постійну складову колекторного струму

пост=?0IK1m/?1 ( 4.21)

;

максимальне значення імпульсу струму колектора

и max= IK1m/?1 (4.22)

;

потужність, що витрачається джерелом струму в ланцюзі колектора

Р0=IKпост|Ek|; (4.23)

;

потужність, яка розсівається на колекторі

РК рас=Р0-РК (4.24)

;

причому необхідно, щоб

РК рас<РK max (4.25)

ККД по ланцюзі колектора

?=РК/Р0 (4.26)

;

Еквівалентний резонансний опір контуру в ланцюзі колектора

рез=Umk/IK1m (4.27)

;

Знаходимо коефіцієнт передачі струму транзистора в схемі з ОБ робочій частоті

б(fp)=h21б/ (4.28)

;

Де h21б(fp) - коефіцієнт передачі струму на низькій частоті; f h21б(fp)- гранична частота коефіцієнта передачі струму біполярного транзистора обраного типу.

Для визначення параметра h21б (значення якого не завжди наводиться в довідниках) може бути використана формула

б= h21э/(1+ h21э) (4.29)

;

де h21э- коефіцієнт передачі струму біполярного транзистора в режимі малого сигналу в схемі с ОЕ.

Визначаємо амплітуду першої гармоніки струму емітера

Э1m=IK1m/ h21б(fp) (4.30)

;

Знаходимо амплітуду імпульсу струму емітера

Э u max= IЭ1m/?1(Э) (4.31)

;

Розраховуємо амплітудне значення напруги збудження на базі транзистора, необхідне для забезпечення імпульсу струму емітера IЭ u max без урахування впливу частоти

БЭm= IЭ u max/(1-cos?э)S0 (4.32)

;

де S0- крутизна характеристики струму колектора.

Визначаємо напругу зміщення на базі, що забезпечує кут відсічення струму емітера,

БЭсм=Ес+ UБЭmcos?э (4.32)

;

де Ес - напруга зрізу.

У випадках, коли значення напруги зрізу в довідниках не наводиться, його можна знайти за ідеалізованим (спрямлення) характеристикам транзистора або орієнтовно прийняти рівним Ес=(0,1…0,2). В (полярність Ес залежить від типу транзистора: для транзисторів p-n-p на базу подається негативне, а для транзисторів n-p-n позитивна напруга зсуву).

Знаходимо коефіцієнт зворотного зв'язку

Ксв= UБЭm/Umk (4.33)

;

Для виконання умови балансу амплітуд необхідно виконати умову

Ксв? Ксв min=1/S0Rрез (4.34)

;

Розраховуємо опір резисторів R1і R2. Для цього задаємося струмом дільника, що проходить через ці резистори

Д?5IБпост (4.35)

;

де IБпост - постійна складова струму бази обраного транзистора. Величину IБпост можна знайти по формулі

Бпост=IKпост/h21Э (4.36)

;

(h21Э - статичний коефіцієнт передачі струму біполярного транзистора обраного типу в схемі з загальним емітером).

Знаючи IД, знаходимо R2 по формулі

= UБЭсм/ IД (4.37)

;

Оскільки струм дільника на багато перевищує струм бази транзистора, останній не змінить істотно струм, що протікає через резистор R1, тому

=(Ek-UБЭсм)/IД (4.38)

;

Потужність, розсіює на резисторах R1 і R2, відповідно дорівнює PR1=I2ДR1; PR2=I2ДR2. З урахуванням цих значень вибираємо стандартний тип резисторів R1 і R2 за шкалою номінальних опорів резисторів.

Знаходимо ємність розділового конденсатора С1 С1?(10…20) Сэ, де Сэ - ємність емітерного переходу транзистора.

С1 = 15·70 Пф = 1 нФ

Елементи ланцюжка термостабілізації R3C2 визначаються так само, як і при розрахунку виборчого підсилювача на транзисторі

?UЭ/IЭпост (4.39)

;

де UЭ падіння напруги на резисторі емітерної стабілізації (порядку (0,7…1,5)В); IЭпост - постійний струм емітера (IЭпост?IКпост).

Ємність конденсатора С2 дорівнює

С2?(15…30)103/fpR3 (4.40)

;

Де С2 виражається в мікрофарадах; fp - мегагерцах; R3 - в кілоомах. Стандартні значення R3 і С2 вибираються за шкалою нормальних значень опорів резисторів і ємностей конденсаторів

. Визначаємо параметри контуру. Задаємося добротністю одиночного (ненавантаженого) контуру. Експериментальним шляхом встановлено, що у генераторів малої та середньої потужності добротність ненавантажених контурів становить:

на хвилях 100…1000м (3 МГц…300 кГц)Q=80…200.

Добротність навантаженого контуру підраховується за формулою

Q'=Q(1-?к) (4.41)

;

де ?к - КПД контуру.

Знаходимо мінімальну загальну ємність контуру Ск min за наближеною формулою

Ск min?(1…2)?р (4.41)

;

?р - робоча довжина хвилі коливань (?р=с/fp, де с - швидкість світла), м; Ск min виражається в пікофарадах).

В загальну ємність контуру Ск min входять ємність конденсатора С3 і виносяться (паразитні) ємності: вихідна ємність транзистора, ємність котушки контуру, ємність монтажу та ін. Загальна величина ємності, що вноситься Свн звичайно становить десятки пікофарад. Отже, ємність конденсатора контуру С3 маже бути знайдена за формулою:

С3? Ск min-Свн (4.42)

;

Цілком зрозуміло, що формула (4.42) дозволяє встановити лише орієнтовне значення ємності С3; більш точне значення визначається в процесі налаштування схеми.

Розраховуємо загальну індуктивність контуру Lk

Lk=0.282?2p/Ск min (4.43)

;

де Lk виражається в мікрогенрі; ?р - в метрах; Ск min - в пікофарадах.

Визначимо хвильовий (характеристичний) опір контуру

?=103 (4.44)

;

(? виражається в омах; Lk - в мікрогенрі; Ск min - в пікофарадах.

Знаходимо опір втрат контуру

п=?/Q' (4.45)

;

Розраховуємо опір, внесений в контур

вн= Rп?к/(1-?к) (4.46)

;

Повний опір контуру дорівнює

= Rп+ Rвн (4.47)

;

Визначаємо амплітуду коливального струму в навантаженому контурі

= (4.48)

;

Знаходимо величину індуктивності L2 зв'язку контуру з базою транзистора (додаток)

=KсвLk (4.49)

;

Визначаємо величину індуктивності зв'язку контуру з колектором транзистора

=Lk-L2 (4.50)

;

Для подальшого використання генератора потрібен підсилювач міцності або використовувати генератор що входить до складу трасошукача SEBA KMT це SEBA Ferrolux FLG 50.

Висновки

Проведена робота з аналізу ушкоджень і несправностей тягових трансформаторів. Представлені основні методи випробування ізоляції а також дослідження методів визначення місця короткого замикання в обмотках тягових трансформаторів. Вказані необхідні випробування тягових трансформаторів високої напруги, дозволяючі вимірювати електричну міцність, тангенса кута діелектричних втрат та опір ізоляції. Були представлені схеми установки для проведення випробувань даними методами.

Особлива увага була загострена на методику визначення місця короткого замикання тягового трансформатора. Були представлені схеми та пристрої для визначення місця короткого замикання. Представлена методика оцінки стану тягового трансформатора в експлуатаційних умовах.

Визначена оптимальна частота генератора для проведення діагностичних випробувань а також можливість використовування генератора, що входить до складу трасошукача SEBA KMT це SEBA Ferrolux FLG 50.

Список використаної літератури

1. Бажанов С.А. Инфракрасная диагностика электрооборудования распределительных устройств [Текст] - М.: НТФ "Энергопрогресс", 2000.

. Болотин И.Б. Измерения в переходных режимах короткого замыкания [Текст] / И. Б. Болотин, Л. З. Эйдель. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергия, 1981. - 192 с.

. Болотин И.Б. Измерения в переходных режимах короткого замыкания [Текст] / И. Б. Болотин, Л. З. Эйдель. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергия, 1981. - 192 с.

. Бузаев В.В., Львов Ю.Н., Смоленская Н.Ю., Сапожников Ю.М. Газохроматографический анализ трансформаторного масла на содержание в нем ионола [Текст] - Электрические станции, 1996, N 1, с.51.

. Долин А.П., Першина Н.Ф., Смекалов В.В. Опыт проведения комплексных обследований силовых трансформаторов [Текст] - Электрические станции, 2000, № 6, стр.46-52.

. Власов А.Б. Обработка и анализ данных тепловизионного контроля [Текст] // Электротехника. 2002.- № 7.- С.37-43.

7.Правила устройства электроустановок, М., Энергоатомиздат, 1989,

8.Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей, М., Энергоатомиздат, 1992 , 390 с.

.Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів, Київ, 1998, 384 с.

.Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 640 с

.Карасев Е.М. Проектирование преобразовательных трансформаторов для тяговых подстанций электрифицированных железных дорог : Метод. указ. к курс. проектированию. Ч.1: Основные схемы и конструкции трансформаторов / Е.М. Карасев. - Л., 1978. - 44 с.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Кафед

Больше работ по теме: