ПРИМЕНЕНИЕ АМОРФНОГО ЖЕЛЕЗА ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСФОРМАТОРНОГО ДАТЧИКА ТОКА

Клименко Ксения Александровна

аспирант Омского государственного технического университета, г. Омск

E-mail: klimenko22@rambler.ru

В электроэнергетике актуальной является проблема получения достоверных данных от измерительных приборов. Для увеличения точности измерительных приборов применяют современные материалы и новые высокоточные методы измерения.

Одним из методов улучшения электромагнитных характеристик и повышения точности трансформаторных датчиков тока является применение в качестве материала магнитопровода аморфного железа.

Аморфные сплавы – особый класс прецизионных сплавов, отличающихся структурой, способом изготовления и комплексом физических свойств [2]. Особенностью аморфных сплавов является большое (около 20 %) содержание таких элементов, как бор, углерод, фосфор и проч., необходимых для сохранения аморфной структуры. Наличие этих элементов снижает максимальные значения индукции насыщения в аморфных сплавах по сравнению с кристаллическими и увеличивает температурный коэффициент магнитных свойств. Эти же элементы увеличивают электросопротивление, повышают твёрдость и прочность аморфных сплавов, а также их коррозионную стойкость [4].

Магнитопроводы из аморфных и нанокристаллических сплавов имеют значительно меньшие удельные магнитные потери по сравнению с электротехнической сталью, пермаллоями и ферритами. Они обладают высокой начальной и максимальной относительной магнитной проницаемостью и индукцией насыщения на высоких частотах напряжения. Благодаря уникальным свойствам, аморфные сплавы получили широкое распространение в современной радиоэлектронной аппаратуре и электротехнических устройствах [5].

В таблице 1 приведены основные магнитные свойства материалов, применяемых при изготовлении магнитопроводов промышленных трансформаторов тока [3]. Относительная магнитная проницаемость электротехнической стали, применяемой для изготовления магнитопроводов, находится в диапазоне от 250 до 4500 [1].

Таблица 1.

Магнитные свойства материалов магнитопровода

В программном комплексе Elcut проведены исследования влияния материала магнитопровода трансформаторного датчика тока на электромагнитное поле системы «трансформаторный датчик тока – шина с током».

Конструкция трансформаторного датчика тока представляет собой систему, состоящую из магнитопровода, измерительной обмотки, короткозамкнутого кольца (материал кольца – медь) и первичной обмотки (шины) с измеряемым током (амплитудное значение тока Im=63 А, начальная фаза φ=0°). Главное отличие конструкции трансформаторного датчика тока от конструкции промышленного трансформатора тока заключается в наличие электропроводящего неферромагнитного кольца, охватывающего магнитопровод.

На рис. 1. приведена конструкция трансформаторного датчика тока.

Рис. 1. Трансформаторный датчик тока:

1 – магнитопровод; 2 – шина с измеряемым током; 3 – короткозамкнутое кольцо (толщина короткозамкнутого кольца h составляла 1 мм и,- 2 мм)

Расположение сигнальной обмотки показано на рис. 2.

Рис. 2. Трансформаторный датчик тока:

1 – короткозамкнутое кольцо;

2 – сигнальная обмотка, располагается под короткозамкнутым кольцом (u_c – напряжение сигнальной обмотки); 3 – магнитопровод (h=20 мм)

В условиях экранирующего действия короткозамкнутого кольца магнитная индукция в магнитопроводе рассматриваемого устройства во много раз меньше индукции насыщения магнитопровода. В связи с этим рассматриваемую задачу можно считать линейной. При решении задачи приняты следующие допущения:

·     магнитопровод линейный;

·     вихревые токи в ферромагнитном магнитопроводе принебрежимо малы;

·     отсутствуют потери на гистерезис.

При расчете также не учитываются потоки рассеяния через торцевые поверхности. Т. е. рассматриваемая задача сводится к двухмерной и для расчета электромагнитного поля может быть использован программный комплекс  Elcut. [6].

На рис. 3. приведена картина линий индукции магнитного поля системы «трансформаторный датчик тока – шина с током», магнитопровод изготовлен из электротехнической стали.

Рис. 3. Картина линий индукции системы «трансформаторный датчик тока – шина с током», материал магнитопровода – электротехническая сталь (µотн=1200), толщина короткозамкнутого кольца: а)1 мм; б) 2 мм

На рис. 4. приведена картина линий индукции магнитного поля системы «трансформаторный датчик тока – шина с током», магнитопровод изготовлен из аморфного железа.

Рис. 4. Картина линий индукции системы «трансформаторный датчик тока – шина с током», материал магнитопровода – аморфное железо, (µотн=10000), толщина короткозамкнутого кольца: а) 1 мм; б) 2 мм

В табл. 2 приведены результаты исследования влияния материала магнитопровода на электромагнитное поле системы. Комплексное амплитудное значение магнитного потока рассчитывается по формуле:

,

где Ф_m – амплитудное значение магнитного потока; φ – начальная фаза магнитного потока.

Таблица 2.

Магнитный поток в сечении 1 — 1 магнитопровода

По полученным амплитудным значениям магнитного потока в сечении магнитопровода 1 — 1 , расположенном под короткозамкнутым кольцом можно судить о преимуществах применения в качестве материала магнитопровода трансформаторного датчика тока аморфного железа.

Вывод

Преимущества применения в качестве материала магнитопровода трансформаторного датчика тока аморфного железа заключаются в сокращении расхода материала короткозамкнутого кольца и уменьшении сдвига фаз между первичным током в шине и напряжением сигнальной обмотки.

Список литературы:

1.Аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы [Электронный ресурс] // Магнитомягкие материалы и электромагнитные компоненты МСТАТОР. URL: http://mstator.ru/products/amorf

2.Аморфные металлы. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. / Под ред. Масумото Ц. Пер. с япон. – М.: Металлургия, 1987. – 328 с.

3.Дружинин В. В. Магнитные свойства электротехнической стали / В. В. Дружинин. – М.: Энергия, 1974. – 240 с.

4.Ковнеристый Ю. К. Объемно–аморфизирующиеся металлические сплавы [Текст] / Ю. К. Ковнеристый. –  М.: Наука, 1999. – 80 с.

5.Терейковский А. С. Сердечники из аморфных сплавов [Электронный ресурс] // Ферриты и ферритовые сердечники ЛЭПКОС. URL: http://ferrite.com.ua/amorphous/index.html (дата обращения: 19.09.2011).

6.ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 5.5– : Руководство пользователя. – СПб.: Производственный кооператив ТОР. – [Электронный ресурс] - URL: http:/www.tor.ru/elcut/demo/Manual.pdf