Решение проблемы измерения сопротивления обмоток трансформаторов большой мощности

Способ измерения электрического сопротивления постоянному току обмоток низкого напряжения в пятистержневых силовых трансформаторах мощностью более 100 000 кВА с неразборным треугольником по низкой стороне при помощи двухканального режима микроомметра ИКС-40А.

Измерение сопротивления обмотки проводится как типовое испытание в стандартах СТО 34.01-23.1-001-2017 и ГОСТ3484.1  для всех силовых трансформаторов. Результат теста используется как для расчета потерь при нагрузке во время соответствующего теста, так и для расчета температуры во время испытаний на нагрев. Кроме того, измерение сопротивления обмотки является общепринятым тестом при техническом обслуживании силовых трансформаторов благодаря его способности обнаруживать ошибки подключения или контакта, перегрев соединений или проблемы с РПН.

По вышеуказанным причинам точное измерение имеет первостепенное значение, но измерение сопротивления обмоток больших силовых трансформаторов (более 100 000 кВА) сталкивается с рядом трудностей. Длительное время нарастания и спада измерительного тока, колебания значений при измерении трансформаторов с обмотками, соединенными треугольником, из-за длительного времени установления показаний, неточные измерения температуры для коррекции сопротивления, остаточный магнетизм и его побочные эффекты, неэффективное подключение и отсоединение измерительного оборудования — вот лишь некоторые из трудностей, с которыми приходится иметь дело.

При измерении сопротивления обмоток трансформаторов для уменьшения влияния намагниченности магнитопровода и доменного шума на результаты измерения целесообразно использовать значения измерительных токов, обеспечивающих насыщение магнитопровода. Для этого достаточно, чтобы сила этого постоянного тока была хотя бы в два раза больше действующего значения тока холостого хода контролируемой обмотки. Для обмоток высокого напряжения даже самых мощных трансформаторов достаточно измерительного тока до 20 А, которые обеспечивает, к примеру, микроомметр ИКС-40А.

Для обмоток низкого напряжения трехфазных силовых трансформаторов большой мощности (более 100 000 кВА), особенно если эти обмотки соединены треугольником, величина токов насыщения может превышать 100 А. Переносные приборы, предназначенные для измерения сопротивления обмоток трансформаторов постоянному току не могут обеспечить такие измерительные токи, поэтому насытить при измерении магнитопровод тестируемых трансформаторов большой мощности не удается, что приводит к значительному увеличению времени установления показаний приборов (до нескольких десятков минут) или получению недостоверных результатов.

В условиях производства силовых трансформаторов эта проблема решается созданием мощных измерительных стендов, позволяющих измерять сопротивление обмоток методом амперметра и вольтметра с токами более 100 А. В эксплуатации же, в основном на электростанциях, где и используются чаще всего силовые трансформаторы более 100 000 кВА, на протяжении длительного времени не имеют достоверных данных о сопротивлении обмоток низкого напряжения.

Ниже приведены результаты измерений сопротивлений обмоток трансформатора ТДЦ-400000/330У1, с соединением Y₀/D-11. Обмотка низкого напряжения (НН) — 20 кВ. Магнитопровод выполнен с боковыми ярмами (пятистержневой). Для измерения использовался микроомметр ИКС-40А.

Ток холостого хода обмотки НН трансформатора,

где S — полная мощность трансформатора,кВА,

Uн — линейное напряжение обмотки НН, кВ.

Следовательно, для насыщения магнитопровода трансформатора требуется постоянный ток силой 104 А. Прибор ИКС-40А способен дать измерительный ток до 40 А, поэтому измерения проводились при таком токе.

Схема измерения сопротивления R_bc представлена на рис. 1. Зажимы прибора присоединялись к выводам обмотки НН, расположенной на крайнем стержне. Время установления тока составило 14 секунд. Время установления показаний с изменениями не более 1%

(п. 4.1.4 ГОСТ 3484.1) — около 6 минут.

График изменения показаний прибора при измерении R_bc приведен на рис.2.

Рис. 2. График при измерении Rbc

Для измерения сопротивления R_ab щупы прибора включались между зажимами a и b обмотки трансформатора, расположенной на среднем стержне магнитопровода. Время установления измерительного тока составило 13 секунд.

График изменения показаний прибора при измерении R_ab приведен на рис.3.

Рис. 3. График при измерении Rab

Во время измерения установление показаний составило около 60 секунд. В то же время значение сопротивления R_ab оказалось почти в полтора раза больше, чем R_bc.

Результаты измерения сопротивления обмоток НН трансформатора ТДЦ-400000/330У1 измерительным током 40 А:

Аналогичное расхождение результатов по различным обмоткам было получено и при измерении другими приборами с меньшими измерительными токами.

Это можно объяснить тем, что процессы установления магнитного состояния среднего стержня магнитопровода трансформатора оказались иными, чем процессы установления магнитного потока крайнего стержня, и ЭДС в обмотках НН, обусловленная изменением контурного тока в обмотках, соединенных треугольником, уменьшалась крайне медленно. Для выяснения различия этих процессов рассмотрим магнитопровод, на который воздействуют намагничивающие силы. Схематически магнитопровод трансформатора представлен на рис. 4.

Здесь F_x (Xϵ(A, B, C)) — намагничивающие силы обмоток соответствующих фаз,

Ф_i — магнитные потоки.

Эквивалентная электрическая схема магнитопровода приведена на рис. 5.

Здесь обозначено R_Mi — магнитное сопротивление участка магнитной цепи, причем

где µ(i) — магнитная проницаемость материала сердечника, значение которой может быть определено по кривой намагничивания материала,

S_М — площадь поперечного сечения,

l — длина средней линии.

Рассмотрим распределение магнитных потоков при измерении сопротивления постоянному току обмотки bc, расположенной на стержне. Полагаем, что намагничивающая сила, создаваемая измерительным током в обмотке bc, F_C = 1. Тогда F_А = F_В = –0,5. Если принять сечение стержней за единицу, то сечение боковых ярем будет равно 0,5, а верхних и нижних — 1/√3. Полагая длину стержней равной 1, примем приблизительно магнитные сопротивления стержней равными 1, тогда магнитные сопротивления боковых ярем R_M1 = 4, а верхних и нижних R_M2 = 1. Здесь мы учитываем, что намагничивающих сил обмоток при общем измерительном токе 40 А совершенно недостаточно для насыщения участков магнитопровода, поэтому полагаем магнитную проницаемость всех участков приблизительно одинаковой. Расчет по схеме на рис. 5 при принятых данных дает следующие результаты: Ф_A = –0,31; Ф_B = –0,58; Ф_С = 0,976; Ф₁ = –0,17; Ф₂ = 0,26. Следовательно, распределение магнитных потоков несимметрично.

При измерении сопротивления R_ab F_В = 1, а F_А = F_С = –0,5. Расчетное значение потоков Ф_A = Ф_С = –0,67; Ф_B = 1,16; Ф₁ = Ф₂ = –0,084. В этом случае распределение потоков симметрично. Эта симметрия обусловливает существенно иной характер процесса установления показаний прибора и может привести к неверному считыванию результатов измерения еще до окончательного установления показаний.

Ускорить процессы установления магнитного состояния сердечника можно путем насыщения отдельных стержней током, пропускаемым через обмотку высокого напряжения (ВН). Эта обмотка имеет значительно больше витков, чем обмотка НН, поэтому насыщение наступает при гораздо меньшем токе.

В литературе предлагается при измерении сопротивления обмотки НН включать последовательно обмотки ВН и НН одной фазы. Пусть измерение сопротивления обмотки ab производится по схеме на рис. 6.

Ток холостого хода обмотки ВН рассчитывается по формуле, аналогичной (1):

Следовательно, ток силой 7 А достаточен для насыщения стержня фазы В. Распределение магнитных потоков в сердечнике с учетом насыщения стержня В будет несколько отличаться от предыдущего случая. Индукция магнитного поля в насыщенном стержне будет около 2 Тл. Тогда потоки в верхних и нижних ярмах будут составлять половину потока стержня В и с учетом площади их поперечного сечения индукция в них будет 1,7 Тл, что соответствует ненасыщенному состоянию. Тем более ненасыщенными будут стержни А и С и боковые ярма. Следовательно, индуктивность обмоток ca и bc будет значительной, что вызовет большое время установления показаний прибора.

Лучший результат можно получить, если подмагничивать магнитопровод измерительным током, проходящим через ВВ обмотки А и С, как на рис. 7.

В данном случае намагничивающие силы, действующие вдоль стержней, будут равны: F_A = 1,02; F_B = –0,04; F_C = –0,98.

Расчет по линейной модели на рис. 5 дает следующие относительные значения магнитных потоков:

Ф_A = 0,44;

Ф_B = –0,004;

Ф_С = –0,42;

Ф₁ = 0,15;

Ф₂ = –0,14;

Ф₃ = –0,29;

Ф₄ = 0,28.

С учетом того, что намагничивающие силы FA и FC достаточны для насыщения стержней А и С, полагаем, что индукция магнитного поля в этих стержнях В_А = В_С = 2 Тл. Определим индукцию в верхних ярмах, с учетом отношения их площадей к площади стержней.

То есть верхние (а стало быть, и нижние) ярма магнитопровода насыщены еще сильнее, чем стержни А и С. В результате магнитное сопротивление магнитных контуров обмоток всех фаз трансформатора очень большое, а индуктивность обмоток, соответственно, малая. Это значительно снижает время измерения сопротивления обмоток НН.

На рис. 8 приведен график изменения показаний прибора ИКС-40А при измерении R_ab по схеме на рис. 7. Измерительный ток равен 10 А.

Рис. 8. График измерения Rаb с намагничиванием АС

Видно, что, во-первых, процесс установления показаний происходит значительно быстрее (по крайней мере в 6 раз), чем без подмагничивания по обмоткам ВН, а, во-вторых, измеренное значение сопротивления обмотки ab незначительно отличается от сопротивлений других обмоток НН, в отличие от результата, представленного на рис. 3. При подмагничивании сердечника трансформатора по обмоткам ВН А и С также ускоряется измерение сопротивления обмоток bc и са.

Микроомметр ИКС-40А имеет режим двухканального измерения для трансформаторов более 100 МВА, позволяющий пропускать измерительный ток и измерять напряжение сразу на двух обмотках. Используя адаптер арт. 2701, одна пара измерительных проводов подключается к выводам A и С трансформатора, вторая пара проводов — к выводам обмотки НН. Измерительный ток должен быть более 2·I_xx соответствующей обмотки ВН.

В этом режиме микроомметр ИКС-40А при таком соединении пропускает один и тот же измерительный ток через обмотки ВН АС и через треугольник по нижней стороне, и выводит результат измерения на экран. Подключая по очереди измерительные провода к выводам разных обмоток НН, можно измерить значение сопротивления всех обмоток НН трансформаторов большой мощности, потратив минимум времени доступным для переносных приборов током.

Результаты измерения сопротивления обмоток НН трансформатора ТДЦ-400000/330У1 измерительным током 10 А в двухканальном режиме ИКС-40А с одновременным пропусканием тока через обмотки AC и НН:

Аналогичные результаты были получены при помощи микроомметра ИКС-40А Рачковым П.Н. из ООО «ВРП-Энерго» на трансформаторе ТДЦ 250000/220-УХЛ1 2009 г. в.
В одноканальном режиме на токе 40 А получены такие результаты:

В двухканальном режиме с одновременным пропусканием тока 15 А через обмотки AC и НН:

При этом в двухканальном режиме с пропусканием тока 15А только по одной обмотке ВН стабилизации результата получить не удалось.

Вывод:

Для измерения сопротивления постоянному току обмоток низкого напряжения пятистержневого трансформатора мощностью более 100 000 кВА, собранных в схему треугольником, рекомендуется использовать подмагничивание магнитопровода трансформатора при помощи пропускания измерительного тока через обмотки высокого напряжения фаз A и С.

Георгий Волович, Александр Волович