RU2704127C1 - Device for protection of windings of single-phase transformer against electrical damages - Google Patents

Abstract

FIELD: electric power engineering.

SUBSTANCE: use in the field of electric power engineering for protection of transformers against short circuits in its windings. Device for protection of windings of single-phase transformer against electric damages contains measuring transducer connected to reacting element, output of which is connected to circuit of circuit breaker disconnection. Measuring transducer is made in the form of a ferromagnetic core with a winding wound on it; at that, the ferromagnetic core relative to the transformer is located so that its longitudinal axis is parallel to axes of rods of the transformer core and is located at the same distance from these rods.

EFFECT: improved reliability of the device for protection of windings of single-phase transformer against electric damages due to reduced dependence of its sensitivity on location of closed turns in windings of the protected transformer and increased power supplied by the measuring transducer.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для защиты трансформаторов от замыканий в его обмотках.The invention relates to the electric power industry and is intended to protect transformers from short circuits in its windings.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство защиты обмоток однофазного трансформатора от электрических повреждений содержащее измерительный преобразователь, подключенный к реагирующему органу, выход которого присоединен к цепи отключения выключателя [Патент РФ №2549354 опубл. 27.04.2015].Closest to the proposed technical solution is a device for protecting the windings of a single-phase transformer from electrical damage containing a measuring transducer connected to a reacting organ, the output of which is connected to a circuit breaker circuit breaker [RF Patent No. 2549354 publ. 04/27/2015].

Однако чувствительность этого устройства защиты обмоток однофазного трансформатора от электрических повреждений в значительной мере зависит от места расположения замкнувшихся витков в обмотках защищаемого трансформатора из-за того, что распределение магнитного поля рассеяния таких обмоток трансформатора неравномерно вдоль их продольной оси. При этом мощность, отдаваемая измерительным преобразователем крайне мала. Что достаточно часто не позволяет реализовать защиту обмоток однофазного трансформатора.However, the sensitivity of this device for protecting windings of a single-phase transformer from electrical damage largely depends on the location of the closed turns in the windings of the protected transformer due to the fact that the distribution of the scattering magnetic field of such transformer windings is uneven along their longitudinal axis. At the same time, the power given by the measuring transducer is extremely small. What often does not allow to realize winding protection of a single-phase transformer.

Задачей изобретения является повышение надежности функционирования устройства защиты обмоток однофазного трансформатора от электрических повреждений за счет снижения зависимости его чувствительности от места расположения замкнувшихся витков в обмотках защищаемого трансформатора и повышения мощности отдаваемой измерительным преобразователем.The objective of the invention is to increase the reliability of the device for protecting the windings of a single-phase transformer from electrical damage by reducing the dependence of its sensitivity on the location of the closed turns in the windings of the protected transformer and increasing the power given by the measuring transducer.

Поставленная задача решается за счет того, что измерительный преобразователь выполняется в виде ферромагнитного сердечника с намотанной на него обмоткой, при этом ферромагнитный сердечник относительно трансформатора располагается так, чтобы его продольная ось была параллельна осям стержней сердечника трансформатора и находилась на одинаковом расстоянии от этих стержней.The problem is solved due to the fact that the measuring transducer is made in the form of a ferromagnetic core with a winding wound on it, while the ferromagnetic core relative to the transformer is located so that its longitudinal axis is parallel to the axes of the transformer core rods and at the same distance from these rods.

В силу конструкционных особенностей однофазного трансформатора величина индукции магнитного поля вдоль геометрического места точек равноудаленных от стержней его сердечника при замыкании витков в любой из его обмоток не одинакова и зависит от места расположения замкнувшихся витков. В связи с этим электродвижущая сила обмотки измерительного преобразователя будет также зависеть от места расположения замкнувшихся витков в обмотках защищаемого трансформатора. Это приводит к тому, что для срабатывания защиты требуется замкнуть разное число витков в центральной части обмотки трансформатора и у ее торца. При этом, отдаваемая мощность измерительного преобразователя определена величиной магнитных потоков рассеяния обмоток трансформатора, которые пересекают плоскость ее витков. Этого в значительной степени можно избежать, если измерительный преобразователь, выполнить в виде ферромагнитного сердечника с намотанной на него обмоткой. В таком измерительном преобразователе ферромагнитный сердечник является концентратором магнитных потоков рассеяния обмоток трансформатора, что позволяет перераспределять эти магнитные потоки и резко снизить зависимость электродвижущей силы его обмотки от места расположения замкнувшихся витков в обмотке защищаемого трансформатора, а также значительно увеличить величину магнитных потоков рассеяния, которые пересекают плоскость ее витков. В связи с этим увеличивается отдаваемая мощность измерительного преобразователя.Due to the design features of a single-phase transformer, the magnitude of the magnetic field induction along the geometrical location of the points equidistant from the rods of its core when the coils are closed in any of its windings is not the same and depends on the location of the closed coils. In this regard, the electromotive force of the winding of the measuring transducer will also depend on the location of the closed turns in the windings of the protected transformer. This leads to the fact that for the protection to be activated, it is necessary to close a different number of turns in the central part of the transformer winding and at its end. At the same time, the transmitted power of the measuring transducer is determined by the magnitude of the magnetic fluxes of the scattering of the transformer windings that cross the plane of its turns. This can be largely avoided if the measuring transducer is made in the form of a ferromagnetic core with a winding wound around it. In such a measuring transducer, the ferromagnetic core is a concentrator of magnetic fluxes of scattering of the transformer windings, which allows you to redistribute these magnetic fluxes and sharply reduce the dependence of the electromotive force of its winding on the location of the closed turns in the winding of the transformer to be protected, as well as significantly increase the magnitude of the magnetic fluxes of scattering that cross the plane her turns. In this regard, the power output of the measuring transducer increases.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое техническое решение отличается от известного конструкцией измерительного преобразователя.Comparative analysis with the prototype shows that the claimed technical solution differs from the known design of the measuring transducer.

Сравнение заявляемого технического решения с известным техническим решением показывает, что измерительные преобразователи с ферромагнитными сердечниками и обмотками известны. Однако, наличие строго ориентированного относительно элементов однофазного трансформатора ферромагнитного сердечника измерительного преобразователя проявляют в заявляемом техническом решении новые свойства, что приводит к повышению надежности функционирования устройства защиты однофазного трансформатора от электрических повреждений в обмотках за счет снижения зависимости его чувствительности от места расположения замкнувшихся витков и увеличения отдаваемой мощности.A comparison of the claimed technical solution with the known technical solution shows that measuring transducers with ferromagnetic cores and windings are known. However, the presence of a measuring transducer strictly oriented relative to the elements of a single-phase transformer of the ferromagnetic core exhibits new properties in the claimed technical solution, which leads to an increase in the reliability of the protection device for a single-phase transformer from electrical damage in the windings by reducing the dependence of its sensitivity on the location of the closed turns and increasing the output power.

Устройство защиты однофазного трансформатора от электрических повреждений в обмотках в соответствии с фиг. 1 состоит из измерительного преобразователя 1 и реагирующего органа в виде реле 2. При этом измерительный преобразователь 1 выполняется в виде ферромагнитного сердечника 3 с намотанной на него обмоткой 4. В защищаемом трансформаторе он располагается так, чтобы его продольная ось 5 была параллельна осям 6 и 7 стержней сердечника трансформатора с обмотками 8 и 9 низкого и высокого напряжения. В качестве примера замкнувшиеся витки 10 располагается в обмотке 8.The device for protecting a single-phase transformer against electrical damage in the windings in accordance with FIG. 1 consists of a measuring transducer 1 and a reacting organ in the form of a relay 2. In this case, the measuring transducer 1 is made in the form of a ferromagnetic core 3 with a winding wound on it 4. In the protected transformer, it is located so that its longitudinal axis 5 is parallel to axes 6 and 7 transformer core rods with windings 8 and 9 of low and high voltage. As an example, closed turns 10 are located in the winding 8.

На фиг. 2 и фиг. 3 приведено распределение магнитных потоков рассеяния 11 от короткозамкнутых витков 10 с током в области размещения измерительного преобразователя с ферромагнитным сердечником 3 и без него. Из фиг. 2 и фиг. 3 видно, что ферромагнитный сердечник 3 выполняет роль концентратора магнитных потоков рассеяния обмоток 8 и 9. Что значительно повышает величину магнитного потока рассеяния замкнувшихся витков 10 через обмотку 4 измерительного преобразователя 1, а также снижает зависимость величины этого магнитного потока от места расположения этих витков на катушке 8 трансформатора, определяемого координатой у_k.In FIG. 2 and FIG. 3 shows the distribution of magnetic fluxes of scattering 11 from short-circuited turns 10 with current in the area of the measuring transducer with and without a ferromagnetic core 3. From FIG. 2 and FIG. Figure 3 shows that the ferromagnetic core 3 acts as a hub of the scattering magnetic flux of windings 8 and 9. This significantly increases the magnitude of the scattering magnetic flux of closed turns 10 through the winding 4 of the transducer 1, and also reduces the dependence of the magnitude of this magnetic flux on the location of these turns on the coil 8 transformer defined by the coordinate at _k .

Эффективность использования ферромагнитного сердечника оценивается по зависимостям E=f(y_k) и Е'=f(y_k) приведенным на фиг. 4, где Е и Е' - электродвижущая сила измерительного преобразователя с ферромагнитным сердечником и без него; у_k - координата по высоте места расположения замкнувшегося витка.The efficiency of using a ferromagnetic core is estimated from the dependences E = f (y _k ) and E '= f (y _k ) shown in FIG. 4, where E and E 'are the electromotive force of the measuring transducer with and without a ferromagnetic core; _k is the coordinate along the height of the location of the closed loop.

В результате в эксплуатационных режимах работы однофазного трансформатора по одинаковому числу витков в обмотках 8 и 9 разных стержнях сердечника протекают одинаковые токи. Если эти обмотки изготовлены и установлены точно, то на оси 3 измерительного преобразователя 1 индукция магнитного поля рассеяния обмоток 8 и 9 в силу симметрии будет равна нулю. Поэтому магнитный поток от этих обмоток через плоскость витков измерительного преобразователя и электродвижущая сила Е в его обмотке будут равны нулю.As a result, in operational modes of operation of a single-phase transformer, the same currents flow through the same number of turns in the windings 8 and 9 of the different core rods. If these windings are manufactured and installed precisely, then on the axis 3 of the measuring transducer 1, the induction of the scattering magnetic field of the windings 8 and 9 by virtue of symmetry will be zero. Therefore, the magnetic flux from these windings through the plane of the turns of the measuring transducer and the electromotive force E in its winding will be zero.

В реальном трансформаторе обмотки 8 и 9, а также измерительный преобразователь 1 изготовлены и установлены не точно. Поэтому в обмотке 4 измерительного преобразователя 1 будет индукцироваться электродвижущая сила Е_нб небаланса, набольшая величина которой возникает при включении этого трансформатора в сеть или при коротком замыкании за ним. Витки обмоток 8 и 9 однофазного трансформатора вдоль ферромагнитного сердечника 3 измерительного преобразователя по высоте распределены равномерно. Поэтому электродвижущая сила Е_нб небаланса измерительного преобразователя 1 с ферромагнитным сердечником и без него различается незначительно. В связи с этим порог срабатывания реле 2 реагирующего органа определяется как Е_ср=к_отсЕ_нб, где Е_нб - наибольшая величина небаланса измерительного преобразователя 1; к_отс - коэффициент отстройки. При реализации защиты коэффициент отстройки к_отс выбирается таким, чтобы в эксплуатационных режимах работы однофазного трансформатора устройство защиты его обмоток от электрических повреждений не срабатывало.In a real transformer, the windings 8 and 9, as well as the measuring transducer 1, are not precisely manufactured and installed. Therefore, in the winding 4 of the measuring transducer 1, an electromotive force E _{nb of} unbalance will be _induced , the largest value of which occurs when this transformer is connected to the network or with a short circuit behind it. The turns of the windings 8 and 9 of a single-phase transformer along the ferromagnetic core 3 of the measuring transducer are uniformly distributed in height. Therefore, the electromotive force E _{nb of the} imbalance of the measuring transducer 1 with and without a ferromagnetic core differs slightly. In this connection, threshold relays reacting body 2 is defined as E _cp E _UTS = k _nb where _nb E - the highest value of the unbalance measuring transducer 1; to _ss is the offset coefficient. When implementing protection, the offset coefficient to _ss is chosen so that in operational modes of operation of a single-phase transformer, the device for protecting its windings from electrical damage does not work.

При замыкании витков 10, например, в обмотке 8 трансформатора ток в них будет значительно превышать величину тока в остальной части обмотки. Что приведет к изменению распределения магнитного поля рассеяния поврежденной обмотки и значительному увеличению электродвижущей силы в обмотке 4 измерительного преобразователя 1, величина которой зависит от числа замкнувшихся витков и их места расположения в обмотке 8 трансформатора. И если эта электродвижущая сила превысит порог срабатывания Е_ср реагирующего органа 2 защиты, то защита сработает и отключит однофазный трансформатор от сети.When the coils 10 are closed, for example, in the transformer winding 8, the current in them will significantly exceed the amount of current in the rest of the winding. This will lead to a change in the distribution of the scattering magnetic field of the damaged winding and a significant increase in the electromotive force in the winding 4 of the measuring transducer 1, the value of which depends on the number of closed turns and their location in the winding 8 of the transformer. And if this electromotive force exceeds the response threshold E _{cf of the} reacting protection element 2, then the protection will work and disconnect the single-phase transformer from the network.

Эффективность использования ферромагнитного сердечника можно оценить по приведенным на фиг. 4 зависимостям электродвижущей силы измерительного преобразователя с ферромагнитным сердечником 3 и без него (E=f(y_k) и Е'=f(у_k)) в зависимости от места расположения замкнувшегося витка 10 на катушке 8 трансформатора. Из фиг. 4 видно, что использование ферромагнитного сердечника 3 привело к снижению отношения максимальной величины электродвижущей силы измерительного преобразователя 1 к ее минимальной величине (

), которое характеризует снижения зависимости чувствительности устройства защиты от места расположения замкнувшихся витков. Из фиг. 4 также видно, что использование ферромагнитного сердечника привело к увеличению электродвижущей силы измерительного преобразователя 1 (

), которое, в свою очередь характеризует увеличение мощности отдаваемой измерительным преобразователем. В результате для срабатывания защиты требуется меньшее количество замкнувшихся витков обмотках однофазного трансформатора.The efficiency of using a ferromagnetic core can be estimated from those shown in FIG. 4 dependences of the electromotive force of the measuring transducer with and without a ferromagnetic core 3 (E = f (y _k ) and E '= f (y _k )) depending on the location of the closed coil 10 on the coil 8 of the transformer. From FIG. Figure 4 shows that the use of a ferromagnetic core 3 led to a decrease in the ratio of the maximum magnitude of the electromotive force of the measuring transducer 1 to its minimum value (

), which characterizes the decrease in the dependence of the sensitivity of the protection device on the location of the closed turns. From FIG. 4 also shows that the use of a ferromagnetic core led to an increase in the electromotive force of the measuring transducer 1 (

), which, in turn, characterizes the increase in power given by the measuring transducer. As a result, a smaller number of closed loops of the windings of a single-phase transformer is required to operate the protection.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства заключается в своевременном определении электрического повреждения в обмотках однофазного трансформатора независимо от места расположения замкнувшихся витков и отключении его от сети, а следовательно в сокращении времени и стоимости послеаварийного ремонта.The technical and economic efficiency of the proposed device consists in the timely determination of electrical damage in the windings of a single-phase transformer regardless of the location of the closed turns and disconnecting it from the network, and therefore in reducing the time and cost of emergency repairs.

Claims (1)

Устройство защиты обмоток однофазного трансформатора от электрических повреждений, содержащее измерительный преобразователь, подключенный к реагирующему органу, выход которого присоединен к цепи отключения выключателя, отличающееся тем, что измерительный преобразователь выполняется в виде ферромагнитного сердечника с намотанной на него обмоткой, при этом ферромагнитный сердечник относительно трансформатора располагается так, чтобы его продольная ось была параллельна осям стержней сердечника трансформатора и находилась на одинаковом расстоянии от этих стержней.A device for protecting windings of a single-phase transformer from electrical damage, comprising a measuring transducer connected to a reacting organ, the output of which is connected to a circuit breaker circuit, characterized in that the measuring transducer is made in the form of a ferromagnetic core with a winding wound on it, while the ferromagnetic core relative to the transformer is located so that its longitudinal axis is parallel to the axes of the transformer core rods and is one ovom distance from these rods.

Images