Дослідження аварійних режимів вторинних кіл трансформаторів струму із розробленням методу їх захисту
Автор: Ткач Роман Юрійович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка
Інститут: Інститут енергетики та систем керування
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2025-2026 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Магістерська кваліфікаційна робота присвячена розробленню цифрової моделі трансформаторів струму (ТС) та комплексному дослідженню їх роботи в аварійних режимах, пов’язаних із розривом вторинних кіл і виникненням небезпечних перенапруг. Актуальність дослідження зумовлена тим, що ТС широко застосовуються у вимірювальних колах, релейному захисті та комутаційних пристроях, а їхня поведінка в перехідних режимах суттєво впливає на надійність і безпечність роботи електроенергетичних систем [1], [2]. У роботі виконано аналіз причин появи перенапруг у вторинних обмотках ТС, зокрема впливу нелінійних характеристик магнітопроводу, насичення сталі, миттєвого значення первинного струму в момент розриву кола та конструктивних особливостей трансформатора. Показано, що перенапруга може сягати кількох кіловольт навіть за номінального струму, а під час короткочасних надструмів (10Іном і більше) її амплітуда істотно зростає, створюючи загрозу пробою ізоляції та пошкодження вторинних пристроїв [3], [4], [5]. Об’єкт дослідження – трансформатори струму різних типів (ТВ 300/5, ТВЛМ 50/5, ТПШЛ 3000/5, ТПЛ 200/5, ТФЗМ-35А-100/5, ТШЛК-10-2000/5). Предмет дослідження – перехідні процеси у вторинних колах ТС під час їх розриву та способи обмеження перенапруг. Мета роботи – розробити цифрову модель ТС та на її основі дослідити аварійні режими, визначити найбільш небезпечні умови виникнення перенапруг і запропонувати ефективні методи їх обмеження. У першому розділі представлено теоретичні основи роботи трансформаторів струму, зокрема формування магнітного потоку, поведінку нелінійної індуктивної вітки намагнічування, особливості спотворення ЕРС та вплив насичення на перехідні процеси. Наведено аналіз небезпечності розриву вторинних кіл, коли ТС переходить у режим неробочого ходу [1], [2]. У другому розділі наведено результати експериментального зняття вольт-амперних характеристик, їх порівняння з нормативно-паспортними даними та аналіз поведінки магнітопроводів у режимах насичення. Ці результати використано для верифікації цифрової моделі та точного відтворення нелінійних параметрів ТС [3], [6]. У третьому розділі розроблено цифрову модель у програмному середовищі RE, яке дозволяє моделювати миттєві значення напруг, струмів і потокозчеплень з урахуванням нелінійних характеристик сталі та параметрів зовнішнього кола. Порівняння результатів моделювання з експериментальними осцилограмами показало розбіжність не більше 5–10 %, що підтверджує високу адекватність моделі [7], [8]. Проведено моделювання аварійних процесів для шести типів ТС. Встановлено, що максимальні перенапруги виникають у момент проходження первинного струму через амплітудне значення, коли енергія магнітного поля у сталевому осерді є максимальною. Доведено, що амплітуда перенапруг нелінійно залежить від рівня струму, моменту розриву та типу ТС; найбільш небезпечними є типи зі значними номінальними первинними струмуми (ТПШЛ, ТШЛК) [4], [8], [9]. У підрозділі 3.4 досліджено залежність пікової напруги від моменту розриву вторинної обмотки протягом одного періоду синусоїди. Показано, що зміщення моменту розриву на 1–2 мс може змінити амплітуду перенапруг у 2–3 рази, що є критичним для визначення вимог до ізоляції та оцінки допустимих режимів роботи [5], [9]. Особливу увагу приділено розробці та дослідженню схеми автоматичного обмеження перенапруг на базі резистора та двоанодного стабілітрона. Моделювання показало, що така схема ефективно обмежує перенапруги до рівня приблизно 300 В, незалежно від моменту розриву та величини первинного струму. Запропонований метод захисту не впливає на клас точності ТС, не потребує операцій персоналу та повністю усуває ризик виникнення надвисоких напруг [6], [10]. Результати дослідження можуть бути використані під час проєктування сучасних трансформаторів струму, модернізації існуючих типів ТС, у стендовій діагностиці, а також у системах релейного захисту та автоматики для підвищення надійності і безпеки вторинних кіл електроустановок.