Тепловое исследование.

Слайд 1.

Здравствуйте уважаемые члены экзаменационной комиссии. Вашему вниманию представлена выпускная квалификационная работа на тему «Исследование тепловых и электромагнитных процессов электротехнических устройств, трансформаторов тока».

Cлайд 2.

Актуальность темы. Если не следить за тепловыми процессами, возникающими в трансформаторах тока и не производить регулирование температуры при нагревании, то трансформатор может сгореть, что в свою очередь может привести к пагубным последствиям от выхода трансформатора из строя до получения травм обслуживающего персонала. Вспомогательным методом для исследования и наблюдения за тепловыми электромагнитными процессами является программа для инженерного моделирования электромагнитных и тепловых процессов, где используется метод конечных элементов, именуемая Elcut.

Цель исследования: исследование магнитных и тепловых процессов в трансформаторах тока

Задачи исследования. Для достижения цели исследования в диссертационной работе, выполнятся следующие задачи:

1. Анализ конструкции и принципа действия трансформатора тока.

2. Строится простейшая модель трансформатора тока.

3. Проводится электромагнитный расчет методом конечных элементов трансформатора тока

4. Отслеживаются тепловые и электромагнитные процессы в трансформаторе тока.

Методы исследования. Для теоретического исследования была взята наиболее простая конструкция трансформатора тока, построена его модель для расчета в специальной программе Elcut, где я исследовал все тепловые и электромагнитные процессы, протекающие в нем.

Трансформатор тока – предназначен для уменьшения первичного тока до значений, более комфортных для измерительных приборов и реле, также для разделения цепей измерения и защиты от первичных цепей с высоким напряжением.

Трансформатор выполнен из шихтованного сердечника из электротехнической стали, на которую наматываются одна или несколько вторичных обмоток. Первичная обмотка также может быть исполнена в виде катушки, которая намотана на сердечник либо в виде шины.

Для исследования был взят трансформатор ТТЭ 150/5А.

Трансформатор тока со встроенной шиной, т.е проводник присоединяется к шине

150 – номинальное значение первичного тока

5 - номинальное значение вторичного тока

0,66 кВ – мощность

0,5 – класс точности (для приборов денежного расчета) 0,2 0,5 1 3 10

Важные параметры трансформатора тока это коэффициент трансформации и класс точности.

Коэффициент трансформации определяет номинал измерения тока и показывает при каком первичном токе во вторичной цепи будет протекать определенный ток. Коэффициент трансформации 150/5

Класс точности трансформатора тока является одной из важнейших характеристик ТТ, которая указывает, что его погрешность измерений не превышает значений, установленных в нормативных документах.

В трансформаторе возникают потери на вихревые токи и на перемагничивание стали в магнитопроводе. КПД 85-95% трансформатора.

2 вида потерь:

в меди(в проводах) - можно уменьшить за счет увеличения сечения проводов обмоток, но возрастают и вес и стоимость трансформатора. Использовать специальную магнитомягкую сталь, добавление присадок, отдельные шихтованные пластины, Все это способствует увеличению сопротивления и уменьшает потери.

потери в стали (в сердечнике) зависят от материала сердечника.

Для построения модели трансформатора использовалась программа Elcut, работа которой основана на методе конечных элементов.

Метод конечных элементов это численный метод для решения дифференциальных уравнений, применяемых в физике и технике. Первоначально метод был изобретен для решения задач в космических исследованиях в 1950 годах. Идея МКЭ была разработана в СССР еще в 1936 году, но из-за неразвитости ЭВМ, метод не получил развития. В 1944 году греческий ученый Аргирис стал одним из основоположников МКЭ, далее МКЭ совершенствовался и развивался. Сегодня метод активно используется. С развитием ЭВМ потенциал его расширяется.

Метод конечных элементов обширно применяется для решения задач механического типа, где есть процессы деформации твердых тел и процессов теплопередачи, гидродинамике и электродинамике.

Как работает МКЭ: Область дифференциального уравнения, которое подлежит решению, разбивают на конечное количество подобластей, которые именуются элементами. В каждой области программа выбирает определенный вид аппроксимирующей функции, которая зависит от рассчитываемой области.

Обычно это полином первой степени. За пределами области аппроксимирующая функция равна нулю. Найденные значения на границах функций и в узлах подобласти являются решением задачи.

Коэффициенты аппроксимирующей функции находятся из условий равенства значений соседних функций на границах между искомыми подобластями. Далее эти коэффициенты выражаются через значения функций в узлах подобластей. Далее составляют систему линейных алгебраических уравнений, количество, которых равно количеству неизвестных значений в узлах, в которых ищется решение начальной системы, прямо пропорционально количеству элементов

Преимущества: чтобы описать большинство процессов протекающих в природе, требуется трехмерные модели, которые нельзя решить аналитическим методом, здесь помогает численный метод (МКЭ). С помощью него можно решить практически любую краевую задачу.

Недостатки: требуется много времени на подготовку задачи и ее решение, в этом случае уступает методу конечных разностей, суть которого численным путем решить дифференциальное уравнение, которое основано на замене производных разностными схемами

Плоскопараллельные задачи – декартовая система координат xyz (параметры характеризующие источник поля относительно оси z постоянны)

Осесимметричные задачи - цилиндрическая система координат (трехмерная система координат), расчеты проводятся в полуплоскости где r больше 0.

Слайд 3.

В диссертационной работе было решено 5 однотипных задач трансформатора тока со следующими параметрами: μ – магнитная проницаемость L – длина (в задаче были использованы относительные единицы измерения и декартовые координаты)

· магнитопровод из электротехнической стали μ = 1000, L = 22 мм

· магнитопровод из электротехнической стали μ = 1000, L= 12 мм

· магнитопровод из электротехнической стали μ = 3000, L= 22 мм

· магнитопровод из аморфного железа μ = 60000, L=22 мм

· магнитопровод из аморфного железа μ = 60000, L=12мм

Слайд 4.

На данном слайде представлены параметры, которые были заданы для решения задач для воздуха, катушки и токопровода.

Слайд 5.

На данном слайде представлены 3 типа рассматриваемых задач (характеристики магнитопровода) – магнитная проницаемость

1.Аморфный магнитопровод μ=60000

2.Стальной магнитопровод μ=3000

3.Стальной магнитопровод μ=1000

Слайд 6.

При решении задач использовалось 2 вида магнитопровода с разными габаритами L=22 мм и L=12 мм

На рисунках представлены картины распределения плотности тока в магнитопроводе.

Слайд 7.

Перед вами представлены графики магнитной индукции и напряженности в задаче №1 со следующими параметрами:

магнитопровод из электротехнической стали μ = 1000

i= -5 A (внутренняя сторона катушки)

i= 5 A (внешняя сторона катушки)

I = 150 A - токопровод

· токопровод медного исполнения

· магнитопроводов из электротехнической стали

Индукция 1,01 (Тл) при длине L 22 мм

Напряженность (А/м) магнитного поля 800 при L 22 мм

Слайд 8.

Перед вами представлены графики магнитной индукции и напряженности в задаче №2 со следующими параметрами:

магнитопровод из электротехнической стали μ = 1000

i= -5 A (внутренняя сторона катушки)

i= 5 A (внешняя сторона катушки)

I = 150 A - токопровод

· токопровод медного исполнения

· магнитопроводов из электротехнической стали

Индукция 0,7 при длине L 12 мм

Напряженность 550 при L 12 мм

Слайд 9.

Перед вами представлены графики магнитной индукции и напряженности в задаче №3 со следующими параметрами:

магнитопровод из электротехнической стали μ = 3000

i= -5 A (внутренняя сторона катушки)

i= 5 A (внешняя сторона катушки)

I = 150 A - токопровод

· токопровод медного исполнения

· магнитопроводов из электротехнической стали

Индукция 3 при длине L 22 мм

Напряженность 800 при L 22 мм

Слайд 10.

Перед вами представлены графики магнитной индукции и напряженности в задаче №4 со следующими параметрами:

магнитопровод из аморфного железа μ = 60000

i = -5 A (внутренняя сторона катушки)

i = 5 A (внешняя сторона катушки)

I = 150 A - токопровод

· токопровод медного исполнения

· магнитопроводов из аморфного железа

Индукция 42 при длине L 12 мм

Напряженность 550 при L 12 мм

Слайд 11.

Перед вами представлены графики магнитной индукции и напряженности в задаче №5 со следующими параметрами:

магнитопровод из аморфного железа μ = 60000

i= -5 A (внутренняя сторона катушки)

i= 5 A (внешняя сторона катушки)

I = 150 A- токопровод

· токопровод медного исполнения

· магнитопроводов из аморфного железа

Индукция 60 при длине L 22 мм

Напряженность 800 при L 22 мм

Слайд 12.

Решив задачу магнитного поля переменных токов с различными габаритами и разным исполнением катушки в трансформаторе, построив графики напряженности и индукции, можно сделать вывод, что насыщение происходит гораздо быстрее в таком магнитопроводе, магнитная проницаемость которого выше. В данном случае была взята модель одновиткового трансформатора тока (ТТЭ 150/5А) и проведен расчет магнитных процессов, протекающих в нем. В ходе эксперимента были взяты разные габариты магнитопровода и его составляющие. Магнитопровод в данной модели из электротехнической стали, в ходе эксперимента был представлен так же расчет аморфного магнитопровода с теми же данными. В аморфном магнитопроводе, благодаря его высокой магнитной проницаемости (60000 Гн/м) насыщение происходит гораздо быстрее за счет примеси монооксида углерода (СО) и возможно использование трансформатора тока меньших габаритов, что будет гораздо удобнее и практичнее.

1. При изменении габаритов магнитопровода, при прочих равных условиях. А именно при уменьшении размера магнитопровода произойдет уменьшение индукции магнитного поля (задачи 1 и 2)

2. При изменении свойств магнитопровода, а именно магнитной проницаемости (с 1000 до 3000) индукция возрастает в 3 раза, модель трансформатора тока является линейной (задачи 1 и 3)

3. Использование аморфного железа с магнитной проницаемостью в 60000 приводит к усилению магнитной индукции при тех же габаритах трансформатора тока, то есть магнитопровод из аморфного железа позволяет уменьшить габариты трансформатора (задачи 1, 4, 5).

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Напряжённость магнитного поля (стандартное обозначение Н) — векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M.

В Международной системе единиц (СИ): {\displaystyle \mathbf {H} ={\frac {1}{\mu _{0}}}\mathbf {B} -\mathbf {M},} где {\displaystyle \mu _{0}} — магнитная постоянная.

Тепловое исследование.

Основными источниками тепла являются обмотки (в них образуется приблизительно 80% всех потерь), остальная часть в магнитной системе и остальных элементах конструкции. Чем сильнее нагревается обмотка, тем быстрее происходит старение изоляции. Когда температура обмотки возрастает на 8° С, то срок службы изоляции сокращается вдвое.То есть при длительной температуре обмоток равной 95°С срок службы трансформатора составит 20—25 лет. А при температуре 95 + 8= 103° С лишь 10—12 лет.

Во время работы трансформатора листы магнитной системы и обмоточный провод являются постоянными источниками выделения тепловой энергии, следовательно в магнитной системе и в обмотках происходит безостановочная передача тепла от внутренних, более нагретых частей к наружным поверхностям, отводящим тепло. Трансформаторы делают с расчетом, чтобы размеры отводящих поверхностей соответствовали нормальному охлаждению и не давали трансформатору перегреваться.

Виды охлаждения:

Для дополнительного охлаждения используют каналы для вывода тепла между катушками обмоток и самими обмотками (до 2500 кВА)

Конвекция – с помощью масла, более холодные остаются внизу, а более горячие поднимаются наверх.

Радиаторы – трубчатые теплообменники на баке (6300 кВА)

На более мощных трансформаторах используют принудительное охлаждение (дутьевой – с помощью вентилятора)

Циркуляционный – обмен тепла между воздухом и маслом с помощью насоса и вентилятора соответственно

Маслянно-водяной самый эффективный – циркуляции масла через охладители, охлаждаемые водой.

Тепловое исследование не проведено, требует больших временных затрат, планирую закончить в аспирантуре.