Р Ц4-07. Рачунарске провере расподеле магнетне индукције у близини енергетског трансформатора 10 kv / 0.4 kv без и са магнетним екраном

Transcript

1 Р Ц4-7 Рачунарске провере расподеле магнетне индукције у близини енергетског трансформатора 1 kv /.4 kv без и са магнетним екраном Марко Шоргић, Зоран Радаковић, Милан Савић, Ратко Ковачић Електротехнички факултет Зоран Вујевић, Primar Co Београд Србија Кратак садржај У раду се приказују истраживање и развој који су спроведени у поступку дефинисања електромагнетног екрана изнад трансформаторске станице са сувим трансформаторима без кућишта снаге 16 kva, 1 kv /.4 kv, где дозвољена вредност магнетне индукције у простору изнад трансформатора износи само 3.7 μт. У раду се приказују спроведени прорачуни дводимензионалног магнетног поља и на бази њих пројектован и изведен магнетни екран. Кључне речи: Трансформаторска станица, електромагнетна заштита 1. Увод У раду се описује поступак дефинисања електромагнетног екрана за трансформаторске боксове у које се смештају суви трансформатори снаге 16 kva без кућишта. Екран је дефинисан на бази резултата мерења на моделу трансформатора без горњег јарма. Иницијално дефинисано решење је испитивано нумеричким симулацијама помоћу софтвера за дводимензионално моделовање магнетних поља. Извршена је провера резултата прорачуна поређењем са резултатима мерења на монофазној пригушници у лабораторији. На бази резултата симулација дефинисано је и имплементирано решење електромагнетне заштите у сва четири трансформаторска бокса. Провера задатог критеријума да јачина магнетног поља износи 3.7 μt ће се извршити по прикључењу објекта на електродистрибутивну мрежу и оптерећивању трансформатора. 2. Дефинисање електромагнетног екрана на бази описаних мерења Пресек електромагнетног екрана је димензионисан тако да не дође до његовог засићења. То значи да је његов пресек одређиван као однос очекиваног магнетног флукса и индукције засићења магнетног материјала коришћеног за израду екрана (B MAX ). Уколико материјал електромагнетног екрана задржи феромагнетна својства, он ће представљати мали магнетни отпор, односно магнетни флукс ће се затварати кроз екран, а његова вредност изнад 1

2 екрана ће се значајно смањити. Постављање магнетног екрана значајно ће променити облик линија магнетног поља, односно довешће до значајног смањења компоненте поља (B Z ) која је пре постављања магнетног екрана била управна на раван у којој ће се екран поставити (површина ове равни се означава са S R ). Потребан пресек магнетног екрана (S E ) може се израчунати на основу следећег израза: S E B Z SR B max ds (1) Површина попречног пресека екрана који ће се извести у трансформаторској станици је одређена на основу мерења на моделу трансформатору без горњег јарма при напону од U TT = 117 V. Овај напон је одређен тако да флукс на моделу (трансформатору снаге 1 kva) буде једнак расутом флуксу реалног трансформатора снаге 16 kva: U TT Bmax RT SFE RT = uk U n (2) B S maxtt FETT где је u k је напон кратког споја реалног трансформатора (6 %), U n његов номинални напон ( V), B max RT његова магнетна индукција засићења, S FE RT пресек његовог магнетног кола, B max TT магнетна индукција засићења тест трансформатора и S FE TT пресек његовог магнетног кола. При процени напона од 117 V усвојено је да је однос B max RT / B max TT = 1.1 (нису биле познате тачне карактеристике лимова). Применом израза (1) на резултате мерења добија се да је потребан пресек екрана S E = 31.4 mm 2. Пресек екрана је одређен на основу мерења по критеријуму геометријске сличности тест трансформатора (висина намотаја и висина трансформатора) и стварног трансформатора и висине просторије (трансформаторског бокса). 3. Иницијални рачунарски прорачуни магнетног поља Потребан пресек екрана процењен је на основу експерименталних истраживања на монофазној пригушници и на тест трансформатору снаге 1 kva. Питања на која експериментална истраживања нису могла да дају одговор су следећа: Како утиче арматура у таваници и зидовима Какав је ефекат постављања феромагнетног материјала на зидове Какав је ефекат повећања пресека електромагнетног екрана у односу на минимални пресек одређен по критеријуму да не дође до засићења магнетног материјала Како опада магнетно поље у зони непосредно изнад екрана (битно је због тога што у реалном објекту просторија изнад трансформаторског бокса постоји издигнут под) 3.1. Уводни пример На самом почетку је вршен дводимензионални прорачун електромагнетног поља за елементарни пример магнетног кола (страница магнетног кола 24 mm, дебљина магнетног кола 2 mm) са ваздушним зазором (. mm), кроз који је постављен проводник кроз који протиче једносмерна струја А (слика 1). Слика 1 Уводни пример за који је вршен прорачун магнетног поља 2

3 На слици 2 је приказана расподела магнетног поља дуж црвене линије са слике 1; вредност магнетног поља у ваздушном зазору израчуната на елементарни начин (за μ r = ) износи 76 A/m, па се може сматрати да је комплексни прорачун дводимензионог магнетног поља прошао грубу проверу. На слици 3 је приказана расподела поља по ваздушном зазору (укључујући и зону по 8 mm ван зазора ширине 24 mm). Слика 2 Расподела магнетног поља дуж црвене линије на слици 1 Слика 3 Расподела магнетног поља дуж ваздушног зазора 3.2. Симулација конфигурације за коју су вршена мерења Следећи корак је био да се тестира рачунски програм за конфигурације за коју су извршени експерименти. Скица лабораторијског модела на коме су извршена мерења је дата на слици 4. Капа екрана Раван у којој се поставља мерни екран и у којој се врше мерења Слика 4 Скица лабораторијског модела на коме су вршена мерења Лабораторијски модел је направљен тако да буде у размери са реалном трансформаторском станицом, односно са трансформатором постављеним у транформаторски бокс (слика ). Коефицијент размере је одређен као однос пречника пригушнице (2 mm) и ширине трансформатора (94 mm). Мерења на моделу са слике 4 су вршена без и са магнетним екраном, увек у равни 7 mm изнад врха пригушнице. На слици 6 је приказана измерена расподела магнетног поља без присуства екрана услед симетрије, расподела је одређивана за четвртину простора тачка (1, ) се налази изнад центра круга пригушнице, а димензија окца износи cm. Флукс Z компоненте вектора магнетне индукције кроз хоризонталну раван износи 1.3 μwb. 3

4 Капа екрана Трансформатор Слика Димензије реалног постројења, са иницијално дефинисаним електромагнетним екраном S7 S S4 S7 а) Интензитет (максимум 99.4 μt) б) Z компонента (максимум 98.9 μt) S4 S S в) Y компонента (максимум 41.1 μt) г) X компонента (максимум 37.2 μt) Слика 6 Вредности магнетне индукције изнад пригушнице без магнетног екрана Прорачуном применом софтвера су добијене вредности интензитета вектора магнетне индукције приказане на слици 7; мерењима чији су резултати дати на линији са слике 6 а) одговара средња крива на слици 7 (2 mm од равни екрана): вредности су упоређене на слици Simulacija Merenja Слика 7 Израчунате вредности магнетне индукције без магнетног екрана Слика 8 Поређење резултата мерења и рачунарског прорачуна 4

5 Резултати прорачуна су у прихватљивим границама одступања од измерених вредности: израчунати максимум магнетне индукције износи 86 μt (измерени 98 μt), израчунати минимум око 4μT (измерени такође око 4μT). При поређењу резултата треба имати у виду да је рачунарска симулација дводимензиона, због чега није узета у обзир мала несиметрија гвозденог језгра монофазне пригушнице; друга апроксимација је да је пригушница моделована као танак прстен, односно да није узета у обзир дебљина реалне пригушнице. Може се сматрати да су резултати који се добијају рачунарском симулацијом довољно тачни, односно да се на основу њих могу доносити одлуке о решењима за електромагнетни екран и у стварној просторији и за стварни трансформатор Симулација лабораторијског модела са екраном Извршен је већи број симулација, из којих су одабрани неки детаљи везани за дефинисање мреже тачака (слика 9) и неке од могућности визуелизације поља (слика 1). На слици 11 је приказане су вредности магнетне индукције у зони непосредно изнад магнетног екрана, где долази до значајног опадања њихове вредности. Слика 9 Приказ мреже тачака (mash) Слика 1 Илустрација интензивног опадања индукције у зони изнад магнетног екрана Расподела поља Екран Језгро Екран Намотај а) Расподела интензитета б) Расподела вектора Слика 11 Визуелизација резултата (израчунатих вредности магнетне индукције)

6 4. Рачунарски прорачуни магнетног поља у реалној трансформаторској станици На слици 12 је приказана диспозиција стварног постројења. Прорачуни су извршени при следећим претпоставкама и са следећим параметрима: Извор флукса је један навојак висине 17 mm, пречника 16 mm (ово је приближно једнако дужини трансформатора), кроз који протиче струја 6 A (тако се добија флукс око 4. mwb) Струја 6 ка је подешена тако да је укупни флукс једнак расутом флуксу по фази (u k B max S Fe = = 4.4 mwb) Арматура у зидовима и таваници је моделована челичним лимом дебљине.8 mm (μ r = ). Носећа челична конструкција антистатик пода је моделована челичним лимом дебљине 1 mm (μ r = ). Под је моделован електропроводним материјалом дебљине 1mm (μ r = 1). На слици 13 су приказане вредности интензитета магнетне индукције по хоризонталним линијама на различитим вертикалним нивоима. Најважнији резултат, приказан на слици 13 а), је да је вредност магнетне индукције у равни изнад антистатик пода доста мања од дозвољених 3.7 μt, што значи да примењени екран испуњава намену. На слици 13 б) су приказане вредности магнетне индукције испод екрана: ова слика илуструје опадање поља у зони између трансформатора и екрана, а јасно показује и велико слабљење поља услед дејства електромагнетног екрана (вредност магнетне индукције испод екрана износи око 6 μt). Носећа челична конструкција антистатик пода: окце 6 x 6 cm Гвоздена мрежа арматуре таванице; оријентационо, пресек жице 8mm, окце 1 x 1 mm Капа екрана Трансформатор Слика 12 Диспозиција стварног постројења 6

7 а) Изнад електромагнетног екрана б) Испод електромагнетног екрана Слика 13 Расподела интензитета магнетне индукције (Т) дуж хоризонталних линија 6. Закључак У раду је описана методологија спроведена у истраживачком и развојном пројекту електромагнетне заштите изнад трансформаторске станице са сувим трансформатором без кућишта. Коначни резултат је дефинисање магнетног екрана (изведено стање приказано на слици 14). Објекат у коме је изведен екран је тренутно у фази тестирања електричне опреме и инсталација, као и чекања прикључења на електродистрибутивну мрежу. По прикључењу и уградњи прве групе електричних пријемника, оптеретиће се први од трансформатора номиналном снагом 16 kva (поред првих електричних пријемника, на располагању су и два оптерећења (load bank) од по 6 kw) и извршити коначна верификација (измерити вредност магнетне индукције у просторији изнад трансформаторске станице). Поред принципа каналисања магнетног флукса, који је испитиван и примењен у овом пројекту, за електромагнетни екран може да се користи и ефекат индуковања вртложних струја које индукују поље супротног смера. Ова опција је разматрана, али није детаљније разрађивана, пре свега због већих губитака и загревања екрана који би био израђен од бакра. Овај ефекат поништавања магнетног поља се јавља и код поцинкованих лимова (мање него што би било да је екран од бакара) којима је изведен екран, што су јасно показале симулације применом софтвера за прорачун магнетног поља. Слика 14 Изглед изведеног магнетног екрана у трансформаторској станици Литература [1] Maxvell SV, Ansoft ( 7