• Эссензиэль
• Статистика

Все активы

Шпайхерн

Nur essenzielle Cookies akzeptieren

Individuelle Datenschutzeinstellungen

Информация о файлах cookie Datenschutzerklärung Импрессум

Datenschutzeinstellungen

Wenn Sie unter 16 Jahre alt sind und Ihre Zustimmung zu freiwilligen Diensten geben möchten, müssen Sie Ihre Erziehungsberechtigten um Erlaubnis bitten. Мы используем файлы cookie и другие технологии на веб-сайте. Einige von ihnen sind essenziell, während andere uns helfen, diese Website und Ihre Erfahrung zu verbessern. Personenbezogene Daten können verarbeitet werden (z. B. IP-Adressen), z. B. für personalisierte Anzeigen und Inhalte oder Anzeigen- und Inhaltsmessung. Weitere Informationen über die Verwendung Ihrer Daten finden Sie in unserer Datenschutzerklärung. Он нашел Sie eine Übersicht über alle verwendeten Cookies. Sie können Ihre Einwilligung zu ganzen Kategorien geben oder sich weitere Informationen anzeigen lassen und so nur bestimmte Cookies auswählen.

Все активы Шпайхерн Nur essenzielle Cookies akzeptieren

Цурюк

Эссензиэль (1)

Essenzielle Cookies ermöglichen grundlegende Funktionen und sind für die einwandfreie Funktion der Website erforderlich.

Информация о файлах cookie Информация о файлах cookie изменена

Имя	Печенье Борлабс
Анбитер	Eigentümer dieser Веб-сайт, выходные данные
Цвек	Speichert die Einstellungen der Besucher, die in der Cookie Box от Borlabs Cookie ausgewählt wurden.
Имя файла cookie	borlabs-cookie
Печенье Laufzeit	1 Яр

Статистика (1)

Статистика

Statistik Cookies erfassen Informationen anonymen. Diese Informationen helfen uns zu verstehen, wie unsere Besucher unsere Website nutzen.

Информация о файлах cookie Информация о файлах cookie изменена

Акзептирен	Гугл Аналитика
Имя	Гугл Аналитика
Анбитер	Google Ireland Limited, Gordon House, Barrow Street, Dublin 4, Ирландия
Цвек	Файл cookie Google для анализа веб-сайтов. Erzeugt statistische Daten darüber, wie der Besucher die Website nutzt.
Датеншуцеркларунг	https://policies.google.com/privacy
Имя файла cookie	_ga,_gat,_gid
Печенье Laufzeit	2 года

Datenschutzerklärung Импрессум

Калькулятор размеров трансформатора

Создано Лучано Мино

Отзыв от Ханны Памулы, кандидата наук и Стивена Вудинга

Последнее обновление: 03 октября 2022 г.

• Что такое трансформатор?
• Как трансформатор изменяет напряжение?
• Что означает кВА на трансформаторе?
• Как рассчитать кВА для трансформатора?
• Как рассчитать нагрузочную способность трансформатора

Наш калькулятор мощности трансформатора позволяет вам рассчитать минимальную мощность однофазного или трехфазного трансформатора в зависимости от нагрузки, которую вам нужно обеспечить . Если вам нужно устройство, которое преобразует различные напряжения, чтобы оно могло питать другое устройство, то трансформатор отлично выполнит эту роль.

В этом коротком тексте вы узнаете, что такое трансформатор, что означает кВА на трансформаторе и как рассчитать нагрузочную способность трансформатора из заданного кВА с помощью нашего калькулятора трансформатора кВА.

Что такое трансформатор?

Трансформатор — это устройство, которое преобразует что-то. Что именно? Напряжение . Он принимает входное напряжение и производит другое выходное напряжение. Мы можем использовать его для создания повышения или понижения напряжения. Эта способность может быть полезна во многих отношениях, например, для снижения напряжения в линиях электропередач, чтобы ее можно было безопасно использовать внутри дома. И как это сделать? Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте познакомимся с основными понятиями, необходимыми для понимания того, что на самом деле происходит внутри трансформатора.

Если вы уже знакомы с концепциями, пропустите вперед и воспользуйтесь нашим калькулятором размеров трансформатора!

Магнитная индукция

Магнитная индукция — это процесс, при котором изменяющийся магнитный поток индуцирует ток в проводнике. Закон индукции Фарадея, о котором вы можете прочитать больше в нашем калькуляторе закона Фарадея, описывает это: dtdΦ​

Где ЭДС\текст{ЭДС}ЭДС – это электродвижущая сила, вызывающая ток через проводник. Другими словами, в проводнике будет возникать ток, если магнитное поле, проходящее через него, изменится во времени. Этот эффект может возникнуть, например, если магнитное поле меняет интенсивность или если проводник меняет положение.

Теперь, каково будет направление тока? Как мы знаем из нашего калькулятора магнитного поля прямолинейного провода с током, ток создает магнитное поле, и закон Ленца говорит нам, что ‘ЭДС, индуцированная изменяющимся магнитным потоком, будет иметь такое направление, что магнитное поле, которое оно создает, препятствует изменению потока’ .

Трансформаторы используют эту концепцию для преобразования напряжения. Давайте посмотрим, как в следующем разделе.

Как трансформатор изменяет напряжение?

Разберем следующую картинку:

Однофазный трансформатор состоит из двух обмоток: первичной (слева) и вторичной (справа). При прохождении переменного тока через первичную обмотку в ее внутренней части возникает изменяющийся магнитный поток. Если добавить магнитопровод, то он направит поток через вторичную обмотку, которая наведет на нее ток (помните, изменяющийся магнитный поток индуцирует ЭДС). Результирующее соотношение между напряжением на каждой обмотке описано ниже:

VsVp=NsNp\quad \frac{V_{s}}{V_{p}}=\frac{N_{s}}{N_{p}}Vp​Vs​​= Np​Ns​​

Так , изменяя количество витков в обмотке с каждой стороны, мы можем контролировать изменение напряжения между ними. Как это просто!

Хотя трансформатор является действительно эффективным устройством, и мы используем идеальный трансформатор в нашем калькуляторе размеров трансформатора, существует несколько источников потерь мощности, например:

• Вихревые токи . Когда изменяющийся магнитный поток проходит через магнитопровод, он индуцирует в нем ток. Эти токи затем будут производить тепло. Вот почему сердечник состоит из нескольких пластин, покрытых изолирующим материалом, чтобы линии поля не проникали сквозь них.
• Потери в стали или гистерезисные потери . Когда поток меняет направление, требуется мощность для намагничивания и размагничивания сердечника.
• Потери тепла через обмотки . Когда электричество циркулирует по обмоткам, материал все больше нагревается под действием тока.

Трехфазный трансформатор использует те же принципы, что и однофазный трансформатор. Однако трехфазные трансформаторы в первую очередь предназначены для промышленного использования. Наш калькулятор также работает как калькулятор трехфазного трансформатора!

🙋 Хотя наш калькулятор размеров трансформатора великолепен, вы не научитесь с его помощью собирать трансформатор. Так что, если вы действительно не уверены в том, что делаете, пожалуйста, не пытайтесь создать его самостоятельно. Хотя весело, это может быть опасно.

Что означает кВА на трансформаторе?

Номинальная единица измерения трансформатора: кВА , киловольт-ампер. Он показывает, какой ток нагрузки и напряжение может выдержать трансформатор.

Если подключена резистивная нагрузка (например, нагреватели или лампы накаливания), она будет потреблять активной мощности или мощности, используемой для создания реальной работы, которая измеряется в кВт. При подключении вместо нее индуктивной нагрузки (двигатели или динамики) потребляется реактивной мощности . Эта мощность не производит реальной работы и измеряется в кВАр, киловольт-амперах реактивных.

Полная мощность объединяет оба параметра, его единицей измерения является кВА (подробнее об этом читайте в нашем калькуляторе ква), и мы используем его в качестве единицы измерения мощности трансформатора, поскольку он не различает нагрузки, поэтому вы можете использовать любой из них. Его формула: 9{2}}Приложение. Power=Pact2​+Preact2​

​

Как рассчитать кВА для трансформатора?

Формула проста. Нам нужны только требования по току и напряжению нагрузки (указаны на этикетке устройства). Затем мы умножаем их, а затем делим результат на 1000, чтобы выразить его в кВА.

Формула для однофазного трансформатора:

кВА=I⋅В1000\quad \text{кВА}= \frac{I \cdot V}{1000}кВА=1000I⋅В​

А для трех -фазный трансформатор: 9где III и VVV — ток и напряжение подключенной нагрузки соответственно.

Теперь вы знаете, как рассчитать кВА для трансформатора, и готовы использовать наш калькулятор кВА для трансформатора!

Как рассчитать нагрузочную способность трансформатора

Мы уже знаем, как рассчитать мощность трансформатора в кВА в зависимости от нагрузки, но как поступить наоборот? Нужен ли нам какой-то другой калькулятор трансформаторного усилителя? Давайте посмотрим, как рассчитать нагрузочную способность трансформатора:

1. Узнайте мощность трансформатора в кВА.
2. Получите требуемое напряжение вашей нагрузки.
3. Измените уравнение кВА так, чтобы ток остался в одной части, а наши параметры — в другой. Результат: I=1000 ⋅ кВАВИ= \frac{1000 \ \cdot \ \text{кВА}}{V}I=V1000 ⋅ кВА​
4. Подставьте данные и решите!

Или проще: воспользуйтесь нашим калькулятором! Он автоматически найдет отсутствующие параметры, таким образом, он может работать как:

• Калькулятор размеров трансформатора
• Калькулятор трансформаторного усилителя
• Калькулятор трехфазного трансформатора

Если вы хотите узнать требования к конкретному трансформатору кВА, воспользуйтесь нашим калькулятором идеального трансформатора!

Лучано Мино

Тип трансформатора

Ток нагрузки (I)

Напряжение нагрузки (В)

Требуемый минимум кВА

кВА

В расширенном режиме можно включить резервную мощность!

Посмотреть 84 похожих калькулятора электромагнетизма 🧲

Ускорение частицы в электрическом полеМощность переменного токаРазмер прерывателя… 81 more

Формула трансформатора — КПД, коэффициент трансформации, повышение и понижение

Трансформатор преобразует электрическую энергию из одной цепи в другую. Для этого используется электромагнитная индукция. Он известен как преобразователь напряжения, поскольку может преобразовывать высокое напряжение в низкое и наоборот. Исправный трансформатор состоит из двух обмоток, основной и вторичной. Повышающие и понижающие трансформаторы — это два типа трансформаторов.

Формула трансформатора

Трансформатор — это электрическое устройство, которое позволяет поддерживать мощность при повышении или понижении напряжения в электрической цепи переменного тока. В случае идеального трансформатора мощность, поступающая в оборудование, равна мощности, получаемой на выходе. В реальных машинах есть небольшой процент потерь. Основанный на явлениях электромагнитной индукции, это устройство, которое преобразует переменную электрическую энергию одного уровня напряжения в переменную электрическую энергию другого уровня напряжения.

(Изображение скоро будет загружено)

Мощность электрической цепи рассчитывается путем умножения напряжения на силу тока. Значение мощности в первичной обмотке такое же, как и мощность во вторичной обмотке, как и в случае с трансформатором.

(Входное напряжение на первичной обмотке) x (Входной ток на первичной обмотке)

(Выходное напряжение на вторичной обмотке) x (Выходной ток на вторичной обмотке)

Уравнение трансформатора можно записать как,

\[ V_{p} \times I_{p} = V_{s} \times I_{s} \]

Зная входное напряжение и число витков на первичной и вторичной обмотках, мы можем рассчитать выходное напряжение трансформатора.

\[\frac{Вход\, Напряжение\, вкл\,\, Первичная\, Катушка}{Выход\, Напряжение\, вкл\,\, Вторичная\, Катушка}\] = \[\frac{ Количество\, из\, витков\, из\, провод\, на\,\, первичный\, катушка}{Количество\, из\, витков\, из\, провод\, на\,\, вторичный\ , Coil}\]

Уравнение трансформатора можно записать следующим образом:

\[ \frac{V_{p}}{V_{s}} = \frac{N_{p}}{N_{s}} \]

Где

\[V_{p}\] = первичный напряжение

\[V_{s}\] = вторичное напряжение

\[N_{p}\] = количество витков в первичной обмотке

\[N_{s}\] = количество витков во вторичной обмотке

\[I_{s}\] = Входной ток на вторичной обмотке

\[I_{p}\] = Входной ток на первичной обмотке

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Определение формулы трансформатора

формула рассчитывает КПД трансформатора. Трансформатор представляет собой электрическое устройство, которое передает электричество из одной цепи в другую с помощью магнитной индукции. Трансформатор имеет две катушки, первичную катушку и вторичную катушку вместо проводов с разностью напряжений в ней. Трансформаторы ежедневно используются людьми для разных целей, поскольку они используют их в качестве катушек индуктивности или устройств защиты двигателя. Трансформатор имеет два типа трансформатора, повышающий и понижающий.

Типы трансформаторов Формулы

1. Повышающий трансформатор: Повышающий трансформатор используется для увеличения напряжения электрического тока. Он делает это, беря низкое входное напряжение и увеличивая его до более высокого выходного напряжения. В повышающем трансформаторе это достигается за счет использования большего числа витков в первичной обмотке.

Повышающий трансформатор принимает низкое напряжение и повышает его до более высокого напряжения путем увеличения числа витков первичной обмотки. На изображении выше показано, как это делается с входом 12 вольт и выходом 120 вольт. Увеличение напряжения связано с увеличением числа витков первичной обмотки, что приводит к уменьшению тока. Это важно, поскольку позволяет использовать провода меньшего размера при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Повышающий трансформатор также можно использовать в качестве повышающего преобразователя, который преобразует низкое постоянное напряжение в высоковольтное переменное напряжение. Это используется для питания устройств, требующих высокого напряжения, таких как электродвигатель.

2. Понижающий трансформатор: Понижающий трансформатор используется для уменьшения напряжения электрического тока. Это достигается за счет использования большего количества витков во вторичной обмотке.

Понижающий трансформатор принимает высокое напряжение и понижает его до более низкого напряжения путем увеличения числа витков вторичной обмотки. На изображении выше показано, как это делается при входном напряжении 120 вольт и на выходе 12 вольт. Увеличение напряжения происходит из-за увеличения количества витков вторичной обмотки, что приводит к меньшему сопротивлению или потерям энергии, что приводит к более высокой эффективности по сравнению с его аналогом (повышающий трансформатор).

Коэффициент трансформации

Мера, описывающая, на сколько больше или меньше витков во вторичной обмотке трансформатора по сравнению с его первичной обмоткой. Отношение витков выражается как Ns/Np, где «Ns» представляет количество витков вторичной обмотки, а «Np» равно количеству витков первичной обмотки

Формула трансформатора: КПД трансформатора = выходное напряжение / Входное напряжение * Коэффициент трансформации (Ns/Np)

Эффективный трансформатор имеет высокий коэффициент трансформации, что означает, что он содержит больше катушек или проводов, намотанных друг на друга внутри с меньшим сопротивлением, что делает их более энергоэффективными, чем трансформаторы с низким коэффициентом трансформации. . Кроме того, их также можно использовать для повышения напряжения, если их вход сравнивается с выходом. Трансформаторы можно найти во многих устройствах, таких как микроволновые печи, стиральные машины и телевизоры.

Формула трансформатора используется для расчета эффективности трансформатора. Трансформатор представляет собой электрическое устройство, которое передает электричество из одной цепи в другую с помощью магнитной индукции. Трансформатор имеет две катушки, первичную катушку и вторичную катушку вместо проводов с разностью напряжений в ней. Трансформаторы ежедневно используются людьми для разных целей, поскольку они используют их в качестве катушек индуктивности или устройств защиты двигателя. Трансформатор имеет два типа трансформатора, повышающий и понижающий

Некоторые распространенные области применения повышающего трансформатора:

• Преобразование низкого напряжения от солнечных батарей или батарей в более высокое напряжение, необходимое для приборов или электрического оборудования

• питание Нагрузки 24 В или 48 В

• Повышение напряжения системы переменного тока (AC) для зарядки свинцово-кислотных или литий-ионных аккумуляторов

Эффективность трансформатора Формула

КПД трансформатора обозначается буквой «η» и определяется как отношение выходной мощности в ваттах (или кВт) к входной мощности в ваттах (или кВт) (также известен как коммерческий КПД).

Формула КПД трансформатора выглядит следующим образом:

КПД = \[\frac{Выход\, Мощность}{Выход \, Мощность + Потери}\] x 100% витков первичной обмотки, деленное на число витков вторичной обмотки, и есть коэффициент трансформации трансформатора. Коэффициент трансформации трансформатора влияет на прогнозируемое функционирование трансформатора, а также на требуемое напряжение на вторичной обмотке. При вторичном напряжении ниже первичного напряжения требуется понижающий трансформатор – число витков на вторичной обмотке должно быть меньше, чем на первичной, и наоборот для повышающих трансформаторов при коэффициенте витков трансформатора понижает напряжение, он увеличивает ток и наоборот, так что отношение напряжения и тока идеального трансформатора напрямую связано с количеством витков на вторичной обмотке.

Формула коэффициента трансформации для напряжения выглядит следующим образом:

\[ K = \frac{V_{1}}{V_{2}} \]

Где,

\[V_{1}\] = первичное напряжение

\[V_{2}\] = вторичное напряжение 

Формула коэффициента трансформации для тока выглядит следующим образом:

\[I_{1}\] = первичный ток

\[I_{2}\] = вторичный ток

Формула повышающего трансформатора

Повышающий трансформатор — это тип трансформатора, который преобразует низкое напряжение ( LV) и большой ток с первичной стороны на высокое напряжение (HV) и малый ток на вторичной стороне.

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Витки первичной обмотки меньше, чем витки вторичной обмотки в повышающем трансформаторе, который преобразует низкое первичное напряжение в высокое вторичное.

Формула повышающего трансформатора выглядит следующим образом:

\[V_{s} = \frac{N_{s}}{N_{p}} \times V_{p}\]

Где,

\ [N_{p}\] = количество витков в первичной обмотке

\[N_{s}\]  = количество витков во второй N

\[V_{p}\] = первичное напряжение,

\[V_{s}\] = вторичное напряжение,

Формула понижающего трансформатора

Понижающий трансформатор преобразует высокое первичное напряжение в низкое вторичное. Первичная обмотка катушки понижающего трансформатора имеет больше витков, чем вторичная обмотка.

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Формула понижающего трансформатора выглядит следующим образом:

\[V_{s} = \frac{N_{s}}{N_{p}} \times V_{p}\]

Где

\[V_{p}\] = первичное напряжение

\[V_{s}\]= Напряжение вторичной обмотки

\[N_{p}\] = количество витков в первичной обмотке

\[N_{s}\]  = Количество витков во вторичной обмотке

Решено Примеры

Пример 1. Количество первичных и вторичных обмоток 90 и 120 соответственно. Вторичное напряжение составляет 310 В, что определяет первичное напряжение.

Решение:

Дано:

Np = 90,

Ns= 120

Vs = 310В

Используя формулу расчета трансформатора, получаем:

Vp/Vs=Np/Ns

Vp=Ns/Np x VS

VP= 90/120 x 310

 Vp = 232,5 В

Пример 2. Количество первичных и вторичных обмоток 110 и 240 соответственно. Первичное напряжение составляет 300 В, что определяет вторичное напряжение.

Решение:

Дано:

\[N_{s}\] = 110,

\[N_{s}\]= 240

\[V_{p}\] = 300В

Формула трансформатора определяется как

\[\frac{V_{p}}{V_{s}} = \frac{N_{p}}{N_{s}}\]

\[V_{s} = \frac{N_{s}}{N_{p}} \times V_{p} \]

\[V_{s}\] =240/ 110 x 300

\ [V_{s}\] = 654,5 вольт

Номинальные характеристики силового трансформатора

Содержание:

1. Что такое номинальная мощность трансформатора?

2. Номинальная мощность трансформатора.

3. Формула расчета мощности трансформатора:

4. Значение коэффициента мощности и эффективности передачи энергии машины

5. Режимы работы трансформатора

Мощность трансформатора – это количество электроэнергии, которое машина может преобразовать для нагрузки позади нее . Поскольку трансформатор выполняет только функцию передачи и распределения мощности, а не является устройством преобразования энергии, таким как электродвигатель, номинальная мощность трансформатора выражается в кВА, а не в кВт. При передаче мощности мощность машины имеет 2 составляющие: реактивная мощность кВА и активная мощность кВт.

Мощность трансформатора — технический показатель, основанный на выборе подходящей машины под требования нагрузки, чтобы избежать ненужных потерь при обеспечении долговременных режимов работы устройства. Эта статья о номинальной мощности трансформатора, присоединяйтесь к нам, чтобы узнать.

Когда трансформатор произведен, он работает на постоянной и долгосрочной основе, обычно от 17 до более чем 20 лет. Производители рассчитывают машины на работу в длительном режиме без проблем, называемом номинальным режимом. Тогда мощность машины, соответствующая этому режиму, представляет собой номинальную мощность, соответствующую этой мощности, такие характеристики, как напряжение U, ток I, частота f, являются номинальными.

Номинальная мощность — это полная (полная) мощность, указанная производителем в профиле машины.

Этот трансформатор может работать в непрерывном режиме (S = S номинальное), когда номинальное напряжение U, номинальная частота f и условия охлаждения соответствуют номинальным, и тогда срок службы трансформатора будет равен примерно 20 годам.

1. Для однофазного и двухфазного трансформатора номинальная мощность представляет собой мощность обмотки и общую мощность на катушку.

2. При мощности трехфазного трансформатора производитель должен следовать следующим типам:

• 100/100/100 – тип, у которого мощность каждой катушки равна номинальной мощности.
• 100/100/66,7 – тип с мощностью двух обмоток, равной номинальной мощности, и мощностью третьей обмотки, равной 66,7% номинальной мощности.

3 Для автотрансформаторов номинальная мощность представляет собой либо первичные, либо вторичные клеммы, которые автоматически соотносятся друг с другом, эта мощность также называется пропускной способностью.

Известно, что мощность отдельной машины равна кВА: полная реактивная мощность и активная мощность — это полная мощность. Трансформаторы в основном используют реактивную мощность для преобразования напряжения по формуле S = U.I для однофазных машин и S = ​​U.I для трехфазных машин.

Активная мощность рассчитывается по формуле P = U.I.cosϕ (кВт)

Реактивная мощность рассчитывается по формуле Q = U. I.sinϕ (кВА)

Тогда фактическая мощность машины включает потерянную мощность машины и имеет формулу:

P = S.COS Ворот

Внутри:

S = U.I

P — единицы W или KW

S — единицы VA или KVA

U

I — единица силы тока А (ампер)

ϕ — угол разности фаз между током и напряжением на энергопотребляющем оборудовании

Cosϕ — называется коэффициентом мощности.

Когда трансформатор работает, он получает энергию (активную мощность) от сети P1. Через процесс преобразования + потери в железе и меди… Остальное — это мощность, которую P2 обеспечивает нагрузке.

КПД Ƞ = P2 / (P2 + полные потери)

При P2 = S.cosϕ (S = P — активная мощность + Q — реактивная мощность)

Реактивная мощность трансформатора Q не производит полезной работы, но необходим для преобразования энергии трансформаторов с единицами измерения ВАр или кВАр. Реактивная мощность Q (кВАр) отвечает за намагничивание стального сердечника в машине для передачи мощности от первичной обмотки к вторичной. Реактивная мощность Q считается несправедливой мощностью. Следовательно, чтобы увеличить общую мощность трансформатора, мы должны увеличить коэффициенты так, чтобы примерно = 1. Таким образом, мы улучшим производительность машины.

Когда трансформатор нагружен, изменение тока нагрузки и изменение источника питания приведет к изменению вторичного напряжения, что приведет к работе машины в 3 режимах: перегрузка, номинальная нагрузка и недогрузка.

В двух случаях машина работает под нагрузкой или перегружена, что отрицательно сказывается на работе трансформатора. В режиме недогрузки или холостого хода коэффициент cosϕ невелик, поэтому во время работы избегайте холостого хода трансформатора или под нагрузкой, поскольку слишком малый коэффициент cosϕ отрицательно повлияет на сеть.

В случае, если машина будет перегружена в течение длительного времени, это вызовет нагрев устройства и повлияет на изоляцию оборудования и трансформатора. Как правило, при изменении напряжения сети на 5 % от номинального напряжения также считаются номинальным.

Чтобы помочь вам выбрать оптимальный трансформатор для вашего проекта, мы предоставляем национальный нормативный стандарт для диапазонов номинальной мощности трансформатора. Уровни мощности машины соответствуют TCVN 6306-1: 2006 или IEC 60076-1: 2000 для справки читателей. Если у вас есть потребность в дизайне в соответствии с вашими собственными стандартами, вы можете связаться с нами для получения наилучшей поддержки.

Новый метод оценки срока службы силовых трансформаторов с использованием систем нечеткой логики: интеллектуальный подход к профилактическому обслуживанию

1 ​​Введение

В энергосистеме стоимость электроэнергии, произведенной и поставленной достигнутый уровень надежности и эффективное техническое обслуживание оборудования энергосистемы. Это также влияет на стабильность энергосистемы и срок службы связанного с ней оборудования (Nurcahyanto et al. , 2019).). Сбои в электроснабжении промышленных, коммерческих и бытовых потребителей приводят к техническим и финансовым потерям для энергетических компаний. Самым дорогим оборудованием для подстанций/сетевых станций являются трансформаторы, на долю которых приходится 60% общих инвестиций (Idrees et al., 2019). Неисправности, обычно возникающие в трансформаторах, можно разделить на два типа в зависимости от их местоположения, т. е. внутренние и внешние неисправности. Внешние неисправности обычно представляют собой линию к линии (L-L), линию к линии к линии (L-L-L) и линию к линии к земле (L-L-L-G), которые являются редкими неисправностями, тогда как линия к линии к земле (L-L-G) и линия к земле (L-G). ) частые неисправности. К внутренним неисправностям относятся: ухудшение изоляции обмоток, приводящее к межвитковым замыканиям, дефекты обмоток и замыкания на землю. Условия перегрузки в течение длительного времени, чрезмерные перенапряжения, пусковой ток и отказ охлаждающего оборудования являются одними из нескольких причин повреждения изоляции (Bhide et al. , 2010). Электрическая изоляция выполняет общую функцию, обеспечивая механическую поддержку, рассеивание тепла, электрическую изоляцию и личную безопасность. В трансформаторе существует три основных типа изоляции: твердая, жидкая и газовая. Самый распространенный тип изоляции – твердый. Это можно обнаружить внутри трансформаторов, а также на линиях электропередачи, конденсаторах, двигателях, кабелях и т. д. Повреждение твердой изоляции обычно необратимо и разрушительно (Cygan and Laghari, 19).90). Помимо частых отказов, изоляция трансформатора в течение всего срока службы подвергается различного рода нагрузкам (механическим, электрическим, экологическим, тепловым). Это приводит к ухудшению изоляции, снижению способности выдерживать короткое замыкание и перенапряжение, а также к сокращению срока службы трансформатора. Поэтому для обеспечения надежной и эффективной работы оценка состояния трансформаторов считается важным параметром среди энергетических компаний (Аршад и др., 2004).

Основное внимание в этом исследовании уделяется анализу деформации/смещения активных частей трансформаторов, а также твердой и жидкой изоляции, которые могут разрушаться со временем, и установлению точного способа оценки остаточного срока службы трансформатора. Эта оценка также включает выявление неисправного оборудования/активов с высоким риском отказа или истекшим сроком службы, чтобы управляющие активами могли ускорить замену или ремонт таких активов (Contin et al., 2011).

Оценка состояния трансформаторов обсуждалась в литературе, и были предложены различные алгоритмы, которые включают следующее: формулирование подробных математических моделей/алгоритмов, охватывающих многоуровневый метод; метод подсчета/ранжирования; многофункциональная модель факторной оценки; и метод матрицы/энтропийно-весового индекса здоровья (EWHI) (Azmi et al., 2017). Однако оценка индекса здоровья с помощью математического моделирования считается сложным процессом, так как при этом действуют различные стрессы, которые могут вызывать несоответствия. Другой подход заключается в использовании средневзвешенного значения (Оценка, 2020 г.). Несмотря на простоту методов взвешивания, определение весовых коэффициентов основано на эмпирических правилах и опытных догадках, которые отличаются от одного эксперта к другому. Кроме того, очень сложно установить четкий порог диагностических измерений для оценки. В другом исследовании предлагается байесовская полиномиальная модель логистической регрессии для оценки HI трансформаторов (Sarajcev et al., 2018). Однако в нем не учитываются эффекты, связанные с присущим упорядочением категорий, что также может иметь место в случае применения ИНС и некоторых других моделей МО, используемых для задач классификации. Кроме того, в настоящей модели можно реализовать онлайн-обучение/мониторинг, которые можно использовать для управления здравоохранением. Регрессионные модели используются для оценки индекса здоровья (%HI) в процентах для оценки состояния, что обсуждается в Leauprasert (2020), но им не хватает понятной интерпретации их параметров и объяснительной силы. Кроме того, значения HI могут находиться за пределами предполагаемого диапазона. Для методов ИИ большое количество данных с известными условиями сохраняется в базе данных, а затем используется в качестве данных для обучения и тестирования, но они по-прежнему носят субъективный характер (Jian et al. , 2020). Онлайн-мониторинг состояния используется для HI на основе интерпретации DGA с использованием алгоритма C4.5 с деревом решений модели машинного обучения для трансформаторов. Алгоритм использует программное обеспечение ML (WEKA и Orange) для получения наилучших результатов обучения, и результаты сравниваются с результатами машины опорных векторов, нейронной сети, наивной байесовской модели и модели ближайшего соседа в Basuki (2018). На основе статистических инструментов SPSS создана модель HI, но дополнительные исследования могут быть расширены на другие области, такие как системы передачи, распределения и другое оборудование подстанций. Специальный подход к онлайн-мониторингу состояния только для трансформаторов сталелитейного завода 33 кВ устанавливается с использованием нечетких моделей, как описано в Patil et al. (2020) для расчета индекса работоспособности (HI) и оценки остаточного ресурса в нечетком режиме, но исследования могут быть продолжены для трансформаторов более высокого напряжения, поэтому может быть сформирована обобщенная нечеткая модель, применимая ко всем другим трансформаторам, таким как генерация и передача. . Семь моделей, основанных на адаптивной нейро-нечеткой системе вывода (ANFIS), множественной линейной регрессии (MLR) и других более простых подходах, исследованы в Prasojo et al. (2019) для устранения отсутствующих данных о фуране в силовых трансформаторах. Предлагаемые методы множественных вычислений можно улучшить, указав в расчетах исторические факторы, а не только прогнозирование отдельных случаев. Индекс работоспособности распределительного трансформатора анализируется в режиме онлайн для мониторинга состояния (Дэвис и Руз) и использует различные параметры трансформатора с помощью системы мониторинга энергии, такие как ток и напряжение. Чтобы проверить предложенный алгоритм, также проводится исследование распределительного трансформатора мощностью 50 кВА, но то же самое может быть распространено на другие более крупные трансформаторы, которые вместо аппроксимации данных применяют практические датчики для измерения параметра для подтверждения их правильности. чувствительность.

Основываясь на результатах DGA, выполненных на масле и системе нечеткой логики, в Arshad et al. предложен индекс работоспособности трансформатора. (2010), но результаты DGA можно получить с помощью различных методов, и вместо стандартного математического моделирования этих методов они основаны на знаниях и опыте. Иногда результаты не соответствуют предлагаемым кодам существующих методов, и тогда их становится трудно анализировать. В связи с этим модификация существующих методов DGA применяется с помощью алгоритма программирования экспрессии генов (GEP) в Исламе (2012) для стандартизации DGA и определения критичности трансформатора. Другой автор разработал модель нечеткой логики для трансформатора, чтобы помочь управлению активами в разработке стратегии принятия решений путем интеграции критичности на основе методов диагностического тестирования в Arshad et al. (2014), но остаточный ресурс трансформатора не обсуждается. Другое исследование было сосредоточено на данных, полученных от параметров жидкой изоляции, таких как DGA, содержание воды, фуран и межфазное натяжение (IFT), для анализа состояния здоровья и рабочей температуры для оценки остаточного срока службы трансформатора (Бакар и Абу-Сиада, 2016). В другом документе установлена ​​математическая модель индекса здоровья, а затем эти значения применяются к нечетким моделям для оценки отказа, риска и модели обслуживания, и то же самое проверяется с помощью моделирования, но в модели отсутствует система обратной связи для решения проблемы. проблемы с обслуживанием (Rosero-z, 2018). Усовершенствованная оценка здоровья, основанная только на системе нечеткой логики DGA, предлагается в Aburaghiega (2018), но эта модель не фокусируется на всех проблемах, связанных с управлением активами.

Переход коммунальной сети к всеобъемлющей и интеллектуальной сети открыл новые возможности для автоматического обнаружения и предотвращения сбоев (Ben Dhaou et al., 2017). Прогностическое обслуживание силового трансформатора с использованием промышленного интернета вещей (IIoT) и методов машинного обучения привлекло большое внимание как в академической, так и в промышленной работе (De Faria et al., 2015; Mahmoud et al., 2021).

До сих пор большая часть исследований была сосредоточена только на деградации масла с использованием DGA для оценки индекса работоспособности трансформатора, в то время как не уделялось особого внимания интегрированной модели для выявления неисправностей с использованием треугольника Дюваля 1 и других диагностических параметров (Dukarm et al. , 2020). Дуговые разряды высокой и низкой энергии, частичные разряды и горячие точки в различных диапазонах температур являются основными типами неисправностей, которые можно идентифицировать с помощью треугольника Дюваля 1 (Оценка, 2020 г.), но нет области для нормального состояния старения, которое может привести к диагностика любой из упомянутых неисправностей при небрежном выполнении. Чтобы избежать этой проблемы, следует оценивать растворенные газы вместе с оценкой изоляционной бумаги (Mawelela et al., 2020). Вышеупомянутая проблема может быть проанализирована путем рассмотрения других диагностических параметров, таких как температура самой горячей точки обмотки, сопротивление изоляции / индекс поляризации, коэффициент рассеяния изоляции системы и остаточный срок службы трансформатора на основе относительной скорости старения изоляционного материала. Этот момент побуждает к формированию новых алгоритмов и моделей. В связи с этим данное исследование посвящено системам нечеткой логики (FLS) для устранения неопределенности, связанной с выявлением различных неисправностей, связанных со старением изоляционной бумаги и минерального масла. Используя этот анализ, дефаззификация будет применена к каждому предикату, который связан с точным состоянием неисправности/дефекта с функцией принадлежности, которая определяет степень достоверности, связанную с выходными данными. Еще одна причина для реализации системы нечеткой логики заключается в том, что ее легко спроектировать, она может обрабатывать большое количество входных данных и нечувствительна к изменению параметров. Более того, аналитические модели, разработанные до сих пор, проявляют сложность при работе с большим количеством входных данных, и систему становится трудно проектировать и анализировать (Azmi et al., 2017).

Таким образом, в этом исследовании используется интегрированная система нечеткой логики, основанная на треугольнике Дюваля 1, которая будет сосредоточена на выявлении неисправностей и отказов, связанных с изоляционным маслом и остаточным сроком службы трансформатора на основе температуры самой горячей точки обмотки/относительной скорости старения, кроме того. к анализу растворенных газов (DGA), диэлектрической прочности масла, температуре самой горячей точки обмотки, сопротивлению изоляции и индексу поляризации, а также коэффициенту рассеяния для расчета оценки состояния и остаточного срока службы трансформатора для обеспечения правильной стратегии принятия решений, т. е. замены , ремонт или модернизация могут быть реализованы для эффективной системы мониторинга состояния трансформатора (Аршад и др., 2004).

Исследование поможет избежать каскадного отказа энергосистемы, неудобств и экономических потерь из-за отключения электроэнергии. Основной изоляцией, используемой в трансформаторах, является крафт-бумага и изоляционное минеральное масло, и от этого зависит его механическая прочность трансформаторов. Со временем из-за различных воздействий (тепловых, механических и экологических) бумага стареет, что приводит к ухудшению работы трансформатора. Например, во время короткого замыкания бумажная изоляция может не выдержать нагрузок из-за снижения механической прочности, феррорезонанса и вибраций, возникающих в результате чрезмерного переключения. Это может в конечном итоге, после накопления, привести к катастрофе трансформатора, если не будут предприняты корректирующие действия (замена, ремонт или восстановление) (Азис и др., 2014). Это также позволит избежать вывода трансформаторов подстанций из эксплуатации до истечения их фактического срока службы, поскольку в прошлом старое оборудование обновлялось до истечения срока службы оборудования, и основными причинами замены были рост нагрузки и их эксплуатационные характеристики. пределы (Веласкес и Лара, 2017). Вклад этого исследования перечислены ниже:

• Для выявления зарождающихся неисправностей и выявления неисправных аксессуаров, которые не могут быть немедленно выведены из эксплуатации.

• Для оценки остаточного ресурса трансформатора.

• Для обеспечения точных оценок старения трансформатора и изоляции, чтобы можно было своевременно выполнить ремонт, замену или восстановление.

• Для предотвращения внезапных отказов трансформаторов до истечения ожидаемого срока службы, которые могут привести к более значительным потерям из-за эффекта ускоренного старения.

• Сокращение затрат на периодическое диагностическое тестирование и на работников.

2 Методология

Нечеткая модель оценки работоспособности и ресурса работы трансформатора с использованием данных, полученных в результате диагностических испытаний, проводимых либо при заводских испытаниях, либо в результате эксплуатационных отключений, либо при техническом обслуживании. Используемые параметры: диэлектрическая прочность (DES, т.е. содержание воды в масле, напряжение пробоя и коэффициент диэлектрических потерь (DDF@100°C) масла), анализ растворенного газа (DGA), сопротивление изоляции и индекс поляризации, температура горячей точки. обмотки и коэффициент рассеяния системы изоляции. При этом помимо оценки жизни и здоровья выполняется идентификация типов разломов с помощью треугольника Дюваля 1 (DT1) по результатам DGA. Оценка индекса исправности трансформатора оценивается путем интегрирования вышеуказанных параметров. Анализ деградации изоляции трансформатора и механического состояния будет оцениваться с использованием систем нечеткой логики. Эти модели преодолевают ограничения сложности и непротиворечивости математического моделирования, интегрируя его критичность. Выделенные в результате анализа растворенных газов газы дали информацию о тепловом состоянии нефти. Существуют и другие методы, такие как метод ключевого газа, коэффициент Дёрненбурга и метод коэффициента МЭК. Однако у этих методов есть определенные ограничения: метод газового ключа дает ошибочную идентификацию (50 %) при применении с помощью программного обеспечения и 30 % неправильную идентификацию при ручном применении. Точно так же коэффициент Дёрненбурга — исторический метод, используемый реже, и он идентифицирует только ограниченное количество ошибок. Точно так же коэффициент IEC действителен только тогда, когда образуется достаточное количество газа. В связи с вышеизложенным используется треугольник Дюваля 1, который позволяет выделить шесть типов разломов и не имеет указанных выше ограничений (Abu-Siada, Hmood, 2015). Результаты напряжения пробоя, коэффициента рассеяния и содержания воды используются для проверки диэлектрического состояния масла (Chantola et al. , 2018). Наиболее существенным фактором, влияющим на исправность трансформатора, является повышение температуры масла в верхней части, поскольку оно послужило основой для повышения температуры самой горячей точки обмотки (Дэвис и Руз). Нечеткая логика считается одним из многих методов мягких вычислений, подобных процессу человеческого мышления. Он часто используется в нашей повседневной жизни и использует простые лингвистические переменные в качестве сегментов принятия решений, которые легко понять по сравнению с аналитическими моделями. В системе нечеткой логики задействованы три этапа, которые включают фаззификацию, процесс нечеткого вывода и дефаззификацию.

Фаззификация выводит функции принадлежности (MF), что означает преобразование четких входных данных (классическая теория множеств) в нечеткие множества в различной степени (Bai and Wang, 2006). Каждый вход нечеткой системы независимо представлен либо трапециевидной, либо треугольной формой функций принадлежности (МФ). Индивидуальные функции принадлежности (MF) отмечены во всем их диапазоне лингвистическими переменными, такими как «низкий», «средний», «высокий» и «очень высокий», чтобы указать индекс критичности/здоровья для исправности трансформатора. База нечетких правил содержит операторы «ЕСЛИ-ТО», которые применяются к системе вывода. Для сложной системы реализовано большое количество нечетких правил для представления диагностического представления (Idrees et al., 2019).). Окончательный вывод механизма нечеткого вывода все еще не соответствует форме, которую можно использовать, поэтому нечеткий вывод (лингвистическая переменная) преобразуется в четкий вывод с помощью процесса дефаззификации.

Для этой цели обычно применяются три метода: метод центра тяжести (COG), метод высоты (HM) и метод среднего максимума (MOM), исходя из их преимуществ. Наиболее популярным является метод центра тяжести, потому что вся форма выходной функции принадлежности не отражается в MOM, а учитываются только самые высокие степени этой функции. Трудно различить разные формы выходных функций принадлежности, имеющих наивысшие степени, потому что они дают один и тот же результат. Техника HM применима только тогда, когда выходная функция принадлежности является накопленным результатом объединения симметричных функций (Bai and Wang, 2006).

MATLAB используется для реализации контроллеров с нечеткой логикой. Для достижения точности задача разбивается на субнечеткие модели, и их интеграция обеспечивает полную оценку работоспособности трансформатора.

3 Результаты

Вышеуказанная модель разработана и проверена на основе силовых трансформаторов, используемых в Пакистане. Данные, полученные после детальных заводских испытаний трансформаторов, используются в качестве исходных данных для созданной модели.

3.1 Нечеткая подлогика на основе диэлектрической прочности масла

Для оценки диэлектрической прочности (DES) масла используются три параметра (содержание воды в масле, напряжение пробоя и коэффициент диэлектрических потерь (DDF@100°C) масла). Состояние масла зависит от всех этих параметров, и если какой-либо из них находится за пределами указанного диапазона, общая диэлектрическая прочность будет ниже.

Для достижения адекватного напряжения пробоя и минимальных потерь на рассеяние минеральное изоляционное масло при поставке должно иметь низкое содержание воды, чтобы избежать отделения свободной воды. Напряжение пробоя минерального изоляционного масла отражает, насколько хорошо оно может выдерживать электрические нагрузки в электрооборудовании. Коэффициент диэлектрических потерь (DDF@100°C) является показателем для оценки диэлектрических потерь в масле. Более высокие значения DDF, чем требуемые стандартами, могут указывать на полярные загрязнители в масле или низкое качество очистки (IEC 6029).6, 2020). Индивидуальные нечеткие модели содержания воды, напряжения пробоя и коэффициента диэлектрических потерь масла выводятся для мониторинга состояния масла, а затем они интегрируются для расчета общей диэлектрической прочности масла, что можно увидеть на рисунке 1. Модель реализуется на основе данных, полученных при тестировании вновь купленного неингибированного масла, т. е. минерального изоляционного масла, не содержащего ингибитора окисления и других антиокислительных присадок. Эффективность модели можно проверить по таблице 1, которая показывает, что состояние масла хорошее, что приводит к более высокому индексу работоспособности трансформатора, поскольку масло новое. Каждый отдельный входной параметр обозначается как «критический», «нормальный» и «хороший». Процентное значение от 0 до 100% соответствует выходным данным нечеткой логики содержания воды, напряжения пробоя (DDF@100°C) и общего DES масла. Рисунок 2А показывает, что в общей сложности 9нечеткие правила используются для расчета диэлектрической прочности масла. На выходе (DES) будет значение, близкое к 100 %, если все отдельные входные параметры находятся в хорошем состоянии, и аналогичным образом на выходе будет значение, близкое к 0 %, если какой-либо из отдельных входных параметров находится в критическом состоянии. Поверхностное представление входных параметров и соответствующих выходных данных (DES) показано на рисунке 2B. Можно видеть, что если процент напряжения пробоя или содержание воды ниже, то выход (DES), как показано на поверхности, также ниже. Точно так же для разных процентов выход (DES) соответственно различается.

РИСУНОК 1 . Нечеткая подлогика, основанная на диэлектрической прочности масла.

ТАБЛИЦА 1 . Индекс здоровья, основанный на диэлектрической прочности масла.

РИСУНОК 2 . (A) Правила, используемые в нечеткой подлогике для диэлектрической прочности масла. (B) Поверхность сформирована для диэлектрической прочности масла.

3.2 Нечеткая подлогика, основанная на анализе растворенных газов

Подмодель, показанная на рисунке 3, основана на девяти газах (H ₂ , CH ₄ , C ₂ H ₂ , C ₂ H ₄ , C ₂ H ₆ , CO, CO ₂ , O ₂ , and N ₂ ), которые образуются при разломах. Во-первых, фильтр на основе нечеткой логики IEEE/IEC (IEC 60599, 2015) (C57.104, 2019) применяется для определения того, находится ли какой-либо из вышеупомянутых газов в заданных пределах или нет. Для этой цели концентрации газа 90-го и 95-го процентилей в зависимости от O ₂ /N ₂ соотношение и срок службы трансформатора утилизируются.

РИСУНОК 3 . Нечеткая подлогика, основанная на анализе растворенных газов.

Частичный коронный разряд и паразитное газовыделение нефти являются причиной выброса водорода (H ₂ ). Он также производится искровыми разрядами и дугами, но C ₂ H ₂ в таких случаях является значительно лучшим показателем. Это также может быть вызвано химической реакцией с оцинкованной сталью.

При нагревании масла или бумаги образуется метан (CH ₄ ), этан (C ₂ H ₆ ) и этилен (C ₂ H ₄ ). Дуговой разряд в масле или бумаге при температуре выше 1000°C приводит к образованию ацетилена (C ₂ H ₂ ). В нормальных условиях эксплуатации трансформаторы без внутренних предохранителей, выключателей или других механизмов дугового разряда не должны создавать C ₂ H ₂ . При обнаружении C2h3 обычно наблюдаются повышенные уровни H ₂ или C ₂ H ₄ . При сгорании целлюлозы образуется монооксид углерода (CO) и диоксид углерода (CO ₂ ) (Азис и др., 2014).

Количество образовавшегося газа, как показано в Таблице 2, является низким после проведения DGA на минеральном масле, и, следовательно, индекс работоспособности, основанный на анализе растворенного газа, имеет более высокие значения 83,77%. Каждое отдельное количество генерируемого газа обозначается как «высокий», «средний» и «низкий». Процент от 0 до 100% назначается выходу DGA. На рис. 4В показаны значения H _2, CH ₄ , C ₂ H ₂ , C ₂ H ₄ и C ₂ H ₆ равны нулю, что означает, что любой из вышеупомянутых газов не генерируется. Выходной сигнал (АРД) даст значение, близкое к 100%, если все газы находятся в заданном диапазоне, и аналогичным образом выходной сигнал даст значение, близкое к 0%, если какой-либо газ превышает диапазон, как показано на рисунке 4А.

ТАБЛИЦА 2 . Индекс здоровья на основе анализа растворенных газов.

РИСУНОК 4 . (A) Поверхность сформирована для DGA. (B) Правила, используемые в нечеткой подлогике для DGA.

3.2.1 Идентификация неисправности на основе треугольника Дюваля 1

Треугольник Дюваля 1 (DT1) представляет собой метод идентификации неисправности на основе газов, полученных в результате анализа растворенных газов (АРГ). В этом методе используется процентное содержание трех газов (%Ch5, %C2h5 и %C2h3) для определения шести типов дефектов, упомянутых в таблице 3. Процентное содержание рассчитывается с использованием уравнений 1–3. Проценты нанесены на треугольник Дюваля 1, как показано на рисунке 5. %C ₂ H ₂ отмечен вдоль оси x , %CH ₄ слева и %C ₂ H ₄ справа треугольника Дюваля. Преимущество этого метода заключается в том, что всегда визуально определяется неисправность и ее развитие во времени в трансформаторе (Пунной и др. , 2021). Идентификация необычной ситуации является первым шагом в интерпретации данных АРГ. После выявления следует провести оценку серьезности и диагностику неисправности. Компонент идентификации проблем и оценки серьезности DGA сравнивает уровни газа, создаваемые конкретными неисправностями, и скорость их изменения с их соответствующим пределом, и назначает состояние состояния на основе того, были ли превышены предельные значения (если таковые имеются). При подозрении на проблему можно использовать надежную методологию, такую ​​как метод треугольника Дюваля 1, как показано на рис. 6, для выявления или диагностики проблемы.

%Ch5=Ch5(Ch5+C2h3+C2h5)100(1)

%C2h3=C2h3(Ch5+C2h3+C2h5)100(2)

%C2h5=C2h5(Ch5+C2h3+C2h5)100(3) )

ТАБЛИЦА 3 . Идентификация неисправности на основе треугольника Дюваля 1.

РИСУНОК 5 . Обычный треугольник Дюваля 1.

РИСУНОК 6 . Нечеткая подлогика, основанная на треугольнике Дюваля 1.

В методе треугольника Дюваля 1 используются три газа неисправности, которые зависят от повышения температуры в случае неисправности. Треугольник Дюваля 1 анализирует основные газы, такие как метан (CH ₄ ) для низкоэнергетических или низкотемпературных неисправностей; этилен (C ₂ H ₄ ) для высокотемпературных дефектов; и ацетилен (C ₂ H ₂ ) для чрезвычайно высокотемпературных или высокоэнергетических/дуговых замыканий. Этот метод позволяет идентифицировать шесть основных типов неисправностей, показанных в таблице 3, а также смеси электрических и тепловых неисправностей (Азис и др., 2014).

Таблица 3 определяет тип неисправности на основе выходных данных треугольника Дюваля 1. Каждый тип неисправности обозначается специальным символом неисправности. Например, если выход треугольника Дюваля находится в диапазоне от 28,58 до 42,86, то типом неисправности является тепловая неисправность T1, 300°C < 9. 0158 t < 700°С. На рисунке 7B показано, что в общей сложности 11 правил используются для разработки нечеткой подмодели для треугольника Дюваля 1. Результаты DGA показали, что никакие газы CH ₄ , C ₂ H ₂ и C ₂ H ₄ , поэтому их процент также равен нулю, а результат на выходе треугольника Дюваля 1 равен нулю, что означает, что неисправность не обнаружена. На фигуре 7A показана поверхность, сформированная для DGA, которая представляет, например, то, что когда значение CH ₄ больше 98 %, независимо от значения C ₂ H ₄ выходное значение будет находиться в диапазоне от 1,00 до 14,29, что означает, что тип неисправности — ЧР (частичный разряд коронного разряда), а также показано в таблице 3.

РИСУНОК 7 . (A) Поверхность, сформированная для треугольника Дюваля 1. (B) Правила, используемые в нечеткой подлогике для треугольника Дюваля 1.

3.3 Нечеткая подлогика, основанная на температуре горячей точки обмотки

Нечеткая подлогика, основанная на температуре горячей точки обмотки показано на рис. 8. Горячая точка — это максимальная температура, возникающая в любой части системы изоляции обмоток, и предполагается, что она отражает тепловое ограничение трансформаторов. Если превышение температуры обмотки в горячих точках непосредственно не измеряется, то оценку его значения можно произвести, исходя из результатов испытаний на превышение температуры или используя либо проектные данные, либо результаты испытаний, выполненных на аналогичных трансформаторах.

РИСУНОК 8 . Нечеткая подлогика, основанная на температуре горячей точки обмотки.

Для определения температуры обмотки в горячей точке можно использовать следующее уравнение: ∆θ _o — повышение температуры верхней жидкости в резервуаре, H — коэффициент горячей точки, g — средний градиент жидкости от витка к средней, θ _h — температура верхней жидкости, а θ _am — температура окружающей среды. Разница между повышением средней температуры обмотки и повышением средней температуры жидкости используется для расчета среднего температурного градиента между каждой обмоткой и жидкостью вдоль ветви (g). Для каждой обмотки соответствующий коэффициент горячих точек (H = QS), зависящий от фактора Q, является дополнительными потерями и определяется отношением удельных потерь в области концентрации потока рассеяния (верхняя обмотка) к среднему удельному значению удельной мощности обмотки. потеря. Фактор S — это эффективность контуров жидкостного охлаждения внутри змеевика (Velásquez and Lara, 2017). Такие параметры, как температура масла в верхней части, температура масла в нижней части и температура окружающей среды, полученные в результате диагностических испытаний, как показано в таблице 4, используются для расчета температуры горячей точки обмотки. Рисунок 9А показывает, что всего 3 правила используются для разработки нечеткой подмодели. Температура горячей точки обмотки ниже, т. е. 75,5°С, поэтому показатель работоспособности лучше. По мере увеличения температуры горячей точки обмотки индекс работоспособности снижается; т. е. при температуре горячей точки обмотки выше 140 °C индекс работоспособности снижается до менее 20%, как показано на рисунке 9B.

ТАБЛИЦА 4 . Индекс здоровья основан на температуре горячей точки обмотки.

РИСУНОК 9 . (A) Правила, используемые в нечеткой подлогике для температуры горячей точки обмотки. (B) График, сформированный для температуры горячей точки обмотки.

3.3.1 Остаточный срок службы трансформатора, основанный на относительной скорости старения

В последние годы была проведена обширная работа по разложению бумаги, которая указывает на то, что старение целлюлозы может быть описано комбинацией трех процессов, т. е. окисления, гидролиз и пиролиз. В реальном трансформаторе все эти процессы действуют одновременно. Это затрудняет применение одной модели, описывающей всю сложность процессов деградации. Какой из процессов будет преобладать, зависит от температуры и условий (содержание кислорода, воды и кислоты). Для характеристики процесса старения целлюлозы можно использовать различные параметры. На самом деле механическая прочность имеет решающее значение для того, чтобы намоточная бумага выдерживала усилия сдвига во время коротких замыканий. Однако из-за складчатой ​​геометрии бумаги в трансформаторе предел прочности при растяжении образцов бумаги из бывших в употреблении трансформаторов определить невозможно. В результате определение степени полимеризации (СП) для определения состояния изоляционной бумаги становится более удобным. Когда DP уменьшается до 200 или 35 процентов, предел прочности при растяжении сохраняется, но качество бумаги (т. прочность может оставаться на приемлемом уровне (Biçen et al., 2011). Подмодель показана на рисунке 10.9.0003

РИСУНОК 10 . Нечеткая подлогическая модель остаточного ресурса трансформатора на основе относительной скорости старения.

Несмотря на то, что ухудшение состояния изоляции является зависящей от времени функцией температуры, содержания влаги, кислорода и кислоты, модель, используемая в этой статье, основана только на температуре изоляции в качестве управляющего параметра. Поскольку распределение температуры неравномерно, область, работающая при самой высокой температуре, обычно страдает больше всего. В результате температуру горячей точки обмотки можно использовать для описания скорости старения (Mann, 2013). В этом случае относительная скорость старения V определяется следующим образом:

V=2(θh-98)6(7)

Срок службы L изоляционной бумаги за определенный период времени определяется по следующей формуле:

L=∑n=1NVntn(8 )

Здесь V _n представляет относительную скорость старения для n -го интервала; t _n представляет n -й временной интервал. n представляет номер каждого интервала; N представляет собой общее количество интервалов, рассматриваемых за определенный период.

Остаточный срок службы трансформатора R, основанный на сроке службы изоляционной бумаги и относительной скорости старения, определяется по следующей формуле:

Остаточный срок службы силового трансформатора, работающего в течение 5 лет, составляет еще 25 лет, как показано в Таблице 5, поскольку температура горячей точки обмотки низкая, а относительное старение бумажной изоляции происходит медленно. Срок службы силового трансформатора сократится вдвое, если температура горячей точки превысит 98°C, потому что относительное старение будет вдвое больше.

ТАБЛИЦА 5 . Оценка остаточного ресурса трансформатора на основе относительной скорости старения.

3.4 Нечеткая подлогика, основанная на сопротивлении изоляции и индексе поляризации

Нечеткая подмодель сопротивления изоляции и индекса поляризации изображена на рисунке 11. Сопротивление изоляции обмотки трансформатора зависит от типа изоляции, ее состояния и методов применения. Сопротивление изоляции зависит от толщины изоляции и обратно пропорционально площади поверхности проводника. Испытание сопротивления изоляции — это испытание постоянным напряжением, и это напряжение должно находиться в пределах указанного предела, соответствующего номинальным характеристикам обмотки и основному состоянию изоляции. Это особенно важно при рассмотрении небольших и низковольтных машин, часто называемых мокрыми обмотками. Приложенное испытательное напряжение может привести к чрезмерной нагрузке на изоляцию, что приведет к повреждению изоляции, если испытательное напряжение слишком велико. Испытания сопротивления изоляции обычно выполняются при постоянном постоянном напряжении отрицательной полярности. Отрицательная полярность предпочтительнее для компенсации явления электроэндосмоса (Wen et al., 2020).

РИСУНОК 11 . Нечеткая подлогика, основанная на сопротивлении изоляции и индексе поляризации.

Обычно индекс поляризации определяется как отношение значения сопротивления постоянному току (IR10), измеренного через 10 минут, к значению сопротивления постоянному току (IR1), измеренному через 1 минуту. Индекс поляризации представляет собой наклон характеристической кривой и может использоваться для оценки качества изоляции. Также обычной практикой является снятие показаний с другими интервалами, отличными от 60 минут или 1 минуты, чтобы обеспечить большую точность и позволить отображать данные в логарифмической шкале.

Токи поглощения в изоляционных материалах, таких как асфальтобетонная слюда, иногда требуют 10 минут или более, чтобы уменьшиться почти до нуля. В настоящее время ток поглощения может упасть почти до нуля в изоляционном материале за короткое время, и в результате становится практикой вычислять версию традиционного P.I. для современной изоляции. Эта определяющая характеристика приводит к тому, что постоянное напряжение прикладывается в течение более короткого времени, и, следовательно, обмотка должна быть заземлена на более короткое время. Поскольку ток поглощения в современных обмотках через несколько минут почти равен нулю, время испытаний может быть значительно сокращено без потери информации о степени загрязнения или влагопоглощения (Fa, 19). 88). На рисунке 12 показано, что для разработки нечеткой подмодели используется всего 9 правил. Сопротивление изоляции для всех условий находится в среднем диапазоне, поэтому общий результат составляет 50%, что показано в таблице 6.

ТАБЛИЦА 6 . Индекс здоровья на основе сопротивления изоляции и индекса поляризации.

РИСУНОК 12 . Правила, используемые в нечеткой подлогике для сопротивления изоляции и индекса поляризации.

3.5 Нечеткая подлогика, основанная на коэффициенте рассеяния системы изоляции

В контексте данного обсуждения и PF, и DF считаются функционально схожими; тем не менее, расчеты различаются. Помните, что тангенс-дельта — это еще один общий термин для этих функционально идентичных тестов. DF, показанный на рис. 13, давно признан одним из наиболее эффективных средств измерения общего состояния трансформатора, и он важен для программы технического обслуживания на основе состояния трансформатора. Поскольку для расчета DF необходимы значение емкости и соответствующий зарядный ток, испытание емкости переменным током является подмножеством теста DF. Из-за их тесной взаимосвязи оба значения обычно исследуются совместно. Испытание РП трансформатора может помочь установить, превышает ли уровень загрязнения критерии приемлемого риска или возможно ли механическое повреждение из-за перемещения массивной обмотки. DF является одним из наиболее эффективных способов определения влажности и загрязнения внутри трансформатора, хотя на него также влияют условия ввода и условия испытаний. Измерение емкости (как часть теста РП) может помочь определить, сместилась ли катушка в массе или произошло короткое замыкание слоя изоляции (Faria et al., 2018). На рисунке 14 показано, что всего 19правила используются для разработки нечеткой подмодели для определения коэффициента рассеяния системы изоляции. Нечеткая подмодель показала индекс работоспособности 87,2% в таблице 7, что отражает более низкое значение коэффициента рассеяния системы изоляции, что приведет к меньшим потерям мощности / поглощаемой диэлектрическим материалом или внутреннему сопротивлению, что приведет к высокому качеству емкости всей системы.

ТАБЛИЦА 7 . Индекс здоровья, основанный на коэффициенте рассеяния системы изоляции.

РИСУНОК 13 . Нечеткая подлогика, основанная на коэффициенте рассеяния системы изоляции.

РИСУНОК 14 . Правила, используемые в нечеткой подлогике для коэффициента рассеяния системы изоляции.

4 Интеграция нечетких подмоделей

Полученные ранее подмодели интегрируются, как показано на рис. 15, для расчета общего состояния трансформатора. На рисунке 16 показано, что для разработки общей модели используется в общей сложности 25 нечетких правил. Выход (HI) даст значение, близкое к 100%, если все отдельные входные параметры находятся в хорошем состоянии, и аналогичным образом выход даст значение, близкое к 0%, если какой-либо из отдельных входных параметров находится в критическом состоянии. В таблице 8 показаны результаты всех нечетких подмоделей. Индекс работоспособности трансформатора составляет 50% за счет более низкого значения сопротивления изоляции и индекса поляризации.

ТАБЛИЦА 8 . Индекс здоровья на основе нечетких подмоделей.

РИСУНОК 15 . Нечеткая подлогика на основе подмоделей.

РИСУНОК 16 . Правила, используемые в нечеткой подлогике для подмоделей.

5 Обсуждение

В этой работе описывается комплексный покомпонентный метод оценки состояния силовых трансформаторов. Методология точно оценивает состояние компонентов трансформатора и прогнозирует остаточный срок службы трансформатора. Этот метод был испытан на новых и старых трансформаторах на различных этапах срока службы и дал удовлетворительные результаты, что можно увидеть в различных разделах результатов и обсуждения. Например, результаты, полученные в этой работе, показывают, что трансформаторы, работающие в течение 5 лет, имеют индекс работоспособности около 50%. Для таких трансформаторов все параметры показывают хорошие показатели работоспособности, за исключением сопротивления изоляции/индекса поляризации, что дает общее среднее состояние исправности трансформатора. Более низкий индекс работоспособности, основанный на сопротивлении изоляции/индексе поляризации, является признаком деградации изоляции трансформатора из-за старения, так как неисправности не обнаруживаются на основе результатов, полученных при идентификации неисправностей с помощью треугольника Дюваля 1. Таким образом, после подробного представления результатов и обсуждений можно сделать вывод, что метод эффективен и эффективно прогнозирует исправность и остаточный ресурс силовых трансформаторов.

6 Заключение

В данной работе разрабатывается новый интегрированный метод на основе нечеткой логики для прогнозирования состояния силовых трансформаторов с учетом состояния нескольких отдельных компонентов трансформатора, таких как диэлектрическая прочность масла, анализ растворенных газов (АРГ), температура самой горячей точки обмотки, сопротивление изоляции и индекс поляризации, а также коэффициент рассеяния изоляции системы. Для демонстрации эффективности разработанного метода используется тематическое исследование. Результаты, полученные для остаточной жизни на основе относительной скорости старения, показывают медленное старение. Для трансформаторов с неисправным сопротивлением изоляции/показателем поляризации трансформатора во время изготовления существуют различия в сопротивлении изоляции/показателе поляризации по сравнению с результатами заводских испытаний. На основании результатов, полученных при испытаниях различных распределительных трансформаторов, сделан вывод о том, что предложенный метод точно прогнозирует исправность и остаточный ресурс силовых трансформаторов.

Заявление о доступности данных

Первоначальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью/дополнительный материал; дальнейшие запросы можно направлять соответствующим авторам.

Вклад авторов

Концептуализация: MF, KH и SR; курирование данных: MA, FA, KA и IB; формальный анализ: MF, MA, FA, KA и IB; получение финансирования: MA, FA, KA и IB; расследование: МФ; методология: МФ; администрирование проекта: KH и FA; ресурсы: MF, KH, MK, MA, KA и IB; ПО: МФ и МК; надзор: КХ, СР и МК; проверка: MK, MA и KA; визуализация: МФ; написание — первоначальный вариант: М. Ф. и К.Х.; написание — обзор и редактирование: KH, MA, FA, KA и IB.

Финансирование

Авторы выражают благодарность за поддержку, оказанную деканатом научных исследований Университета Джоуфа в рамках гранта № (DSR-2021-02-0302).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Примечание издателя

Все претензии, изложенные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно представляют претензии их дочерних организаций или издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или претензии, которые могут быть сделаны его производителем, не гарантируются и не поддерживаются издателем.

Ссылки

Абу-Сиада, А., и Хмуд, С. (2015). Новый метод нечеткой логики для определения критичности силового трансформатора с использованием анализа растворенных газов в масле. Междунар. Дж. Электр. Система питания и энергии. 67, 401–408. doi:10.1016/j.ijepes.2014.12.017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Абурагиега, Э. (2018). «Совершенствование диагностики исправности силового трансформатора на основе системы нечеткой логики DGA», в 2018 г. твен. Междунар. Энергетическая система Ближнего Востока. конф. , 400–405.

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Аршад М., Ислам С. и Халик А. (2014). Нечеткий логический подход в управлении силовыми трансформаторами и принятии решений. IEEE Trans. Диэлектр. электр. Инсул. 21 (5), 2343–2354. doi:10.1109/TDEI.2014.003859

CrossRef Full Text | Google Scholar

Аршад М., Ислам С. и член С. (2010). Метод нечеткой логики для определения критичности трансформатора с использованием анализа растворенных газов. 1–5.

Google Scholar

Аршад М., Ислам С. М. и Халик А. (2004). Управление активами силовых трансформаторов , 21–24.

Google Scholar

Assessment, C. (2020). Интеллектуальная система оценки состояния силовых трансформаторов , 14–22.

Google Scholar

Азис Н., Лю К. и Ван З. Д. (2014). Оценка старения бумажной изоляции трансформатора с помощью посмертного анализа. IEEE Trans. Диэлектр. электр. Инсул. 21 (2), 845–853. doi:10.1109/TDEI.2013.004118

CrossRef Full Text | Google Scholar

Азми А., Ясни Дж., Азис Н. и Кадир М.З.А.А. (2017). Эволюция индекса исправности трансформатора в виде математического уравнения. Продлить. Поддерживать. Energy Rev. 76, 687–700. doi:10.1016/j.rser.2017.03.094

CrossRef Full Text | Google Scholar

Бай, Ю., и Ван, Д. (2006). Основы управления нечеткой логикой — нечеткие множества, нечеткие правила и дефаззификации. Advanced Fuzzy Logic Technologies in Industrial Applications In Editor Y. Bai, H. Zhuang, and D. Wang (Springer, London: Advances in Industrial Control), 17–36. doi:10.1007/978-1-84628-469-4_2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бакар, Н. А., и Абу-Сиада, А. (2016). Нечеткий логический подход к прогнозированию остаточного ресурса трансформатора и принятию решений по управлению активами. IEEE Trans. Диэлектр. электр. Инсул. 23 (5), 3199–3208. doi:10.1109/tdei.2016.7736886

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Басуки, А. (2018). «Онлайн-анализ растворенных газов силовых трансформаторов на основе модели дерева решений», в 2018 conf. Мощность инж. Продлить. Энергия , 1–6.

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Бен Дхау И., Кондоро А., Келати А., Рвегасира Д. С., Найман С., Мвунги Н. Х. и др. (2017). Технологии связи и безопасности для интеллектуальных сетей. Междунар. Дж. Встроить. Общение в реальном времени. Сист. 8 (2), 305–331. дои: 10.4018/978-1-5225-5649-7.ch016

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бхайд, Р. С., Сринивас, М. С., и Банерджи, А. (2010). Анализ межвиткового замыкания в трансформаторе : Обзор и модели трансформатора .

Google Scholar

Бичен Ю., Чиллиюз Ю., Арас Ф. и Айдуган Г. (2011). «Оценка модели старения по стандартам IEEE/IEC для трансформаторов, погруженных в природное и минеральное масло», в Proc. — IEEE внутр. конф. Диэлектр. жидкость . doi:10.1109/ICDL.2011.6015442

Полный текст CrossRef | Академия Google

C57.104 (2019). «Руководство IEEE по интерпретации газов, образующихся в трансформаторах, погруженных в минеральное масло», в IEEE std C57.104 .

Google Scholar

Чантола А., Шарма М. и Саини А. (2018). «Интегрированный нечеткий логический подход для расчета индекса работоспособности силового трансформатора», в Proc. Междунар. конф. Изобретатель. коммун. вычисл. Технол. ICICCT 2018 , 1045–1050. ICICCT. Дои: 10.1109/ICICCT.2018.8473316

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Контин А. , Рабах Г., Боргетто Дж. и Де Нигрис М. (2011). Анализ АЧХ силовых трансформаторов с помощью нечетких инструментов , 900–909.

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Сайган П. и Лагари Дж. Р. (1990). Модели старения изоляции при электрических и тепловых мультинапряжениях. IEEE Trans. Избрать. Инсул. 25 (5), 923–934. дои: 10.1109/14.59867

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Дэвис, К., и Руз, Л. Оценка состояния трансформатора онлайн-службы распределения с использованием монитора энергии сети в реальном времени , 2–7.

Де Фариа, Х., Коста, Дж. Г. С., и Оливас, Дж. Л. М. (2015). Обзор методов мониторинга профилактического обслуживания силовых трансформаторов на основе анализа растворенных газов. Продлить. Поддерживать. Energy Rev. 46, 201–209. doi:10.1016/j.rser.2015.02.052

CrossRef Full Text | Академия Google

Дукарм Дж., Дрейпер З. и Пиотровски Т. (2020). Диагностические симплексы для анализа растворенных газов. Energies 13, 6459. doi:10.3390/en13236459

CrossRef Full Text | Google Scholar

Fa, C. (1988). Характеристики плитки сопротивления изоляции трансформаторов w a n g 1sgiqing , 463–466.

Google Scholar

Фариа Г., Перейра М., Лопес Г., Виллибор Дж., Таварес П. и Фариа И. (2018). «Оценка емкости и коэффициента диэлектрических потерь распределительных трансформаторов – экспериментальные результаты», в 2018 IEEE электр. Инсул. конф. EIC , 336–339. doi:10.1109/EIC.2018.8481052

CrossRef Full Text | Google Scholar

Идрис М., Риаз М. Т., Аашир В., Захир Дж. П., Раза Х. А., Хан М. А. и др. (2019). Расчет и анализ индекса работоспособности силового трансформатора, установленного на сетевых станциях, на основе нечеткой логики. АИОР 2019 — Межд. Симп. Недавний рекламный электр. англ. 4, 1–6. doi:10.1109/RAEE.2019.8887016

CrossRef Полный текст | Академия Google

МЭК 60296 (2020). Жидкости для электротехнического применения – минеральные изоляционные масла для электрооборудования». IEC 60296.

Google Scholar

IEC 60599 (2015). Электрооборудование, заполненное минеральным маслом, в эксплуатации. Руководство по интерпретации анализа растворенных и свободных газов. IEC 60599.

Google Scholar

Ислам, С. (2012). Новый подход к определению критичности силового трансформатора и принятию решения по управлению активами на его основе. Анализ растворенного газа в масле. 19 (3), 1007–1012.

Google Scholar

Цзянь В., Венбин З., Демэн Б. и Куйхуа В. (2020). Новый разработанный индекс работоспособности для оценки состояния силового трансформатора , 1880–1884 гг.

Google Scholar

Леупрасер, К. (2020). Методы интеллектуального машинного обучения для оценки состояния силовых трансформаторов , 65–68. Икпей.

Google Scholar

Махмуд М. А., Мд Насир Н. Р., Гурунатан М., Радж П. и Мостафа С. А. (2021). Современное состояние исследований в области профилактического обслуживания в распределительной сети интеллектуальных энергосистем: типы, причины и методы прогнозирования неисправностей — систематический обзор. Energies 14, 5078. doi:10.3390/en14165078

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Манн, П. (2013). Определение срока службы трансформатора. Электр. англ. 82 (8), 512–514. doi:10.1109/ee.1963.6540988

CrossRef Full Text | Google Scholar

Мавелела, Т. У., Нначи, А. Ф., Акуму, А. О., и Абэ, Б. Т. (2020). «Диагностика неисправностей силовых трансформаторов с использованием треугольника Дюваля», в 2020 IEEE PES/IAS PowerAfrica, PowerAfrica , 1–5. doi:10.1109/PowerAfrica49420.2020.9219802

CrossRef Full Text | Google Scholar

Нуркахьянто, Х., Наингголан, Дж. М., Ардита, И. М., и Худая, К. (2019). Анализ срока службы силового трансформатора с использованием метода индекса работоспособности трансформатора, основанного на моделировании искусственных нейронных сетей. Проц. Междунар. конф. электр. англ. Инф. 2019, 574–579. doi:10.1109/ICEEI47359.2019.8988870

CrossRef Full Text | Google Scholar

Патил А. Дж., Сингх А. и Джариал Р.К. (2020). Интегрированная нечеткая система онлайн-мониторинга для расчета индекса работоспособности и остаточного ресурса трансформатора сталелитейного завода 33 кВ. 2020 междунар. конф. Инд. 4.0 техн. I4Tech , 176–181. doi:10.1109/I4Tech58345.2020.98

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пунной Н., Суванасри К. и Суванасри Т. (2021). Нечетко-логический подход к анализу растворенных газов для индекса отказов силового трансформатора и выявления неисправностей. Энергии 14 (1), 36–17. doi:10.3390/en14010036

CrossRef Full Text | Google Scholar

Прасохо, Р. А., Маулидеви, Н. У., Соеджарно, Б. А., и Суварно, С. (2019 г.). «Анализ индекса работоспособности силового трансформатора с неполными бумажными данными о состоянии», в , 4-е межд. конф. конд. Оценивать. Тех. электр. Сист. КАТКОН 2019 , 3–6. doi:10.1109/CATCON47128.2019.CN0073

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Розеро-з, Л. (2018). Анализ ремонтных работ в трансформаторах на основе метода нечеткой логики. 3.

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Сарайцев П., Якус Д., Василь Дж. и Николич М. (2018). Анализ индекса исправности трансформатора с использованием байесовских статистических моделей.

Google Scholar

Веласкес, Р. М. А., и Лара, Дж. В. М. (2017). Анализ основных компонентов и адаптивная система принятия решений на основе нечеткой логики для силового трансформатора. Нечеткая инф. англ. 9 (4), 493–514. doi:10.1016/j.fiae.2017.12.005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вэнь Л., Сяо-Мэй З., Шань-Шань З., Лян-Сянь З., Чжао З. и Сяонг-Ю К. (2020). «Исследование конструкции свинцовой изоляции автотрансформатора 750 кВ», в 7th IEEE int. конф. Высокое напряжение. англ. заявл. ИЧВЭ 2020 — сб. , 17–20. doi:10.1109/ICHVE49031.2020.9279682

CrossRef Full Text | Google Scholar

Трансформеры | Физика | | Курс Hero

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объяснить, как работает трансформатор.
• Рассчитать напряжение, ток и/или количество витков, учитывая другие величины.

Трансформаторы делают то, что следует из их названия — они преобразуют напряжение из одного значения в другое (используется термин напряжение, а не ЭДС, поскольку трансформаторы имеют внутреннее сопротивление). Например, многие сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшие бытовые приборы имеют трансформатор, встроенный в сменный блок (как на рис. 1), который преобразует переменное напряжение 120 или 240 В в любое напряжение, используемое устройством. Трансформаторы также используются в нескольких точках в системах распределения электроэнергии, например, как показано на рис. 2. Энергия передается на большие расстояния при высоком напряжении, потому что для данного количества энергии требуется меньший ток, а это означает меньшие потери в линии, как это было раньше. обсуждалось ранее. Но высокое напряжение представляет большую опасность, поэтому для получения более низкого напряжения в месте нахождения пользователя используются трансформаторы.

Рис. 1. Подключаемый трансформатор становится все более популярным в связи с распространением электронных устройств, работающих от напряжения, отличного от обычного 120 В переменного тока. Большинство из них находятся в диапазоне от 3 до 12 В. (кредит: Shop Xtreme)

Рисунок 2. Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках системы распределения электроэнергии. Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжении более 200 кВ, иногда до 700 кВ, для ограничения потерь энергии. Местное распределение электроэнергии в районы или предприятия проходит через подстанцию ​​и передается на короткие расстояния при напряжении от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для обеспечения безопасности на объекте отдельного пользователя.

Тип трансформатора, рассматриваемого в этом тексте (см. рис. 3), основан на законе индукции Фарадея и очень похож по конструкции на аппарат Фарадея, используемый для демонстрации того, что магнитные поля могут вызывать токи. Две катушки называются первичной обмоткой и вторичной обмоткой . При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную обмотку, а вторичная создает преобразованное выходное напряжение. Железный сердечник не только улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, но и увеличивает его намагниченность. Поскольку входное напряжение переменного тока, изменяющийся во времени магнитный поток направляется на вторичную обмотку, индуцируя ее выходное напряжение переменного тока.

Рис. 3. Типичная конструкция простого трансформатора состоит из двух катушек, намотанных на ферромагнитный сердечник, ламинированный для минимизации вихревых токов. Магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, в основном ограничивается и усиливается сердечником, который передает его вторичной обмотке. Любое изменение тока в первичной обмотке индуцирует ток во вторичной.

Для простого трансформатора, показанного на рисунке 3, выходное напряжение В _с почти полностью зависит от входного напряжения В _р и соотношение количества витков в первичной и вторичной обмотках. Закон индукции Фарадея для вторичной катушки дает ее индуцированное выходное напряжение В _с равным

Vs=−NsΔΦΔt{V}_{\text{s}}=-{N}_{\text{s} }\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}\\Vs​=-Ns​ΔtΔΦ​

, где N _s — число витков вторичной обмотки, а Δ Φ /Δ t — скорость изменения магнитного потока. Обратите внимание, что выходное напряжение равно ЭДС индукции ( В _с = ЭДС _с ), при условии, что сопротивление катушки мало (разумное предположение для трансформаторов). Площадь поперечного сечения катушек одинакова с обеих сторон, как и напряженность магнитного поля, поэтому Δ Φ / Δ t одинаково с обеих сторон. Входное первичное напряжение В _p также связано с изменением потока на

Vp=−NpΔΦΔt{V}_{p}=-{N}_{\text{p}}\frac{\Delta\Phi }{\Delta t}\\Vp​=−Np​ΔtΔΦ​

. Причина этого немного более тонкая. Закон Ленца говорит нам, что первичная обмотка сопротивляется изменению потока, вызванному входным напряжением V _p , отсюда и знак минус (это пример самоиндукции , эта тема будет подробно рассмотрена в последующих разделах). Предполагая пренебрежимо малое сопротивление катушки, петлевое правило Кирхгофа говорит нам, что ЭДС индукции точно равна входному напряжению. Соотношение этих двух последних уравнений дает полезное соотношение:

VsVp=NsNp\frac{{V}_{\text{s}}}{{V}_{\text{p}}}=\frac{ {N}_{\text{s}}}{{N}_{\text{p}}}\\Vp​Vs​=Np​Ns​​

Это известно как уравнение трансформатора , и оно просто утверждает, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества витков в его катушках. Выходное напряжение трансформатора может быть меньше, больше или равно входному напряжению, в зависимости от соотношения количества витков в их катушках. Некоторые трансформаторы даже обеспечивают переменную мощность, позволяя выполнять подключение в разных точках вторичной обмотки. Повышающий трансформатор это тот, который увеличивает напряжение, тогда как понижающий трансформатор снижает напряжение. Предполагая, как и мы, что сопротивление пренебрежимо мало, выходная электрическая мощность трансформатора равна его входной мощности. На практике это почти так — КПД трансформатора часто превышает 99%. Приравнивая вход и выход питания,

P _P = I _P V _P = I _S = I 6 S 8888 I 6 S I _S I _S I _S .0159 _с .

Перестановка членов дает

VsVp = IpIs \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{I} _ {\ text {p} }}{{I}_{\text{s}}}\\Vp​Vs​=Is​Ip​​

. В сочетании с

VsVp = NsNp \ frac {{V} _ {\ text {s}}} {{V} _ {\ text {p}}} = \ frac {{N} _ {\ text {s} }}{{N}_{\text{p}}}\\Vp​Vs​=Np​Ns​​

, мы находим, что

IsIp=NpNs\frac{{I}_{\text{ s}}}{{I}_{\text{p}}}=\frac{{N}_{\text{p}}}{{N}_{\text{s}}}\\Ip​ Is​=Ns​Np​​

представляет собой отношение между выходным и входным токами трансформатора. Таким образом, если напряжение увеличивается, ток уменьшается. И наоборот, если напряжение уменьшается, ток увеличивается.

Пример 1. Расчет характеристик повышающего трансформатора

Портативный рентгеновский аппарат имеет повышающий трансформатор, входное напряжение которого 120 В преобразуется в выходное напряжение 100 кВ, необходимое для рентгеновской трубки. Первичная обмотка имеет 50 витков и при использовании потребляет ток 10,00 А. а) Сколько петель во вторичном? (b) Найдите текущий выход вторичной обмотки.

Решаем

VsVp=NsNp\frac{{V}_{\text{s}}}{{V}_{\text{p}}}=\frac{{N}_{\text{s}} }{{N}_{\text{p}}}\\Vp​Vs​=Np​Ns​​ 9{4}\end{массив}\\Ns​==​Np​Vp​Vs​​(50)120 V100 000 V​=4,17×104​

.

Для получения такого большого напряжения требуется большое количество витков во вторичной обмотке (по сравнению с первичной). Это верно для трансформаторов неоновых вывесок и тех, которые обеспечивают высокое напряжение внутри телевизоров и ЭЛТ.

Точно так же мы можем найти выходной ток вторичной обмотки, решив

.

Как и ожидалось, выходной ток значительно меньше входного. В некоторых впечатляющих демонстрациях для создания длинных дуг используются очень большие напряжения, но они относительно безопасны, поскольку выход трансформатора не обеспечивает большой ток. Обратите внимание, что потребляемая мощность здесь равна P _p = I _p В _р = (10,00 А)(120 В) = 1,20 кВт. Это равно выходной мощности P _p = I _с В _с = (12,0 мА)(100 кВ) = 1,20 кВт, как мы предполагали при выводе используемых уравнений.

Тот факт, что трансформаторы основаны на законе индукции Фарадея, ясно показывает, почему мы не можем использовать трансформаторы для изменения постоянного напряжения. Если первичное напряжение не меняется, то и вторичное напряжение не индуцируется. Одна из возможностей состоит в том, чтобы подключить постоянный ток к первичной катушке через переключатель. Когда переключатель размыкается и замыкается, вторичная обмотка создает напряжение, подобное изображенному на рис. 4. На самом деле это непрактичная альтернатива, и переменный ток широко используется везде, где необходимо повысить или понизить напряжение.

Рис. 4. Трансформаторы не работают при чистом входном напряжении постоянного тока, но если его включать и выключать, как на верхнем графике, выход будет выглядеть примерно так, как на нижнем графике. Это не синусоидальный переменный ток, необходимый большинству приборов переменного тока.

Пример 2.

Зарядное устройство, предназначенное для последовательного соединения десяти никель-кадмиевых аккумуляторов (общая ЭДС 12,5 В постоянного тока), должно иметь выходное напряжение 15,0 В для зарядки аккумуляторов. В нем используется понижающий трансформатор с 200-контурной первичной обмоткой и входным напряжением 120 В. а) Сколько витков должно быть во вторичной обмотке? (б) Если зарядный ток равен 16,0 А, каков входной ток?

Вы ожидаете, что у вторичного будет небольшое количество циклов. Решение

VsVp=NsNp\frac{{V}_{\text{s}}}{{V}_{\text{p}}}=\frac{{N}_{\text{s}}} {{N}_{\text{p}}}\\Vp​Vs​=Np​Ns​​

для

Ns{N}_{\text{s}}\\Ns​

 для N _s и ввод известных значений дает

Ns=NpVsVp=(200)15,0 V120 V=25\begin{array}{lll}{N}_{\text{s}}& =& {N} _{\text{p}}\frac{{V}_{\text{s}}}{{V}_{\text{p}}}\\ & =& \left(\text{200}\ справа)\frac{15. 0 \text{ V}}{120 \text{ V}}=25\end{массив}\\Ns​==​Np​Vp​Vs​​(200)120 V15.0 V ​=25​

Текущие входные данные можно получить, решив

IsIp=NpNs\frac{{I}_{\text{s}}}{{I}_{\text{p}}}=\frac{{N}_{ \text{p}}}{{N}_{\text{s}}}\\Ip​Is​=Ns​Np​​

 для I _p и ввод известных значений. Это дает

Ip=IsNsNp=(16,0 A)25200=2,00 A\begin{array}{lll}{I}_{\text{p}}& =& {I}_{\text{s}}\ frac{{N}_{\text{s}}}{{N}_{\text{p}}}\\ & =& \left(16.0\text{A}\right)\frac{25}{ 200}=2.00\text{ A}\end{массив}\\Ip​==​Is​Np​Ns​​(16.0 A)20025​=2.00 A​

Количество витков во вторичной обмотке невелико, как и положено для понижающего трансформатора. Мы также видим, что небольшой входной ток создает больший выходной ток в понижающем трансформаторе. Когда трансформаторы используются для работы с большими магнитами, они иногда имеют небольшое количество очень тяжелых петель во вторичной обмотке. Это позволяет вторичной обмотке иметь низкое внутреннее сопротивление и производить большие токи. Еще раз отметим, что это решение основано на предположении о 100%-ной эффективности, т. е. выходная мощность равна входной мощности ( P _p  =  P _s ) — разумно для хороших трансформаторов. В этом случае первичная и вторичная мощность составляет 240 Вт. (Убедитесь в этом сами для проверки стабильности.) Обратите внимание, что никель-кадмиевые аккумуляторы необходимо заряжать от источника постоянного тока (как и аккумулятор на 12 В). Таким образом, выход переменного тока вторичной катушки необходимо преобразовать в постоянный. Это делается с помощью чего-то, называемого выпрямителем, в котором используются устройства, называемые диодами, которые пропускают ток только в одном направлении.

Трансформаторы имеют множество применений в системах электробезопасности, которые обсуждаются в книге «Электробезопасность: системы и устройства».

Вырабатывайте электричество с помощью стержневого магнита! Откройте для себя физику этого явления, исследуя магниты и то, как вы можете использовать их, чтобы зажечь лампочку.

Нажмите, чтобы загрузить симуляцию. Запуск с использованием Java.

Резюме раздела

• Трансформаторы используют индукцию для преобразования напряжения из одного значения в другое.
• Для трансформатора напряжения на первичной и вторичной обмотках связаны соотношением

  VsVp=NsNp\frac{{V}_{\text{s}}}{{V}_{\text{p}}}=\ frac{{N}_{\text{s}}}{{N}_{\text{p}}}\\Vp​Vs​=Np​Ns​​

  ,

  где V _p  и V _s  напряжения между первичной и вторичной обмотками, имеющими N _p и N _s   виток
• Токи I _p  и I _s в первичной и вторичной обмотках связаны соотношением

  IsIp=NpNs\frac{{I}_{\text{s}}}{{I}_{\text{p}}}=\frac{{ N}_{\text{p}}}{{N}_{\text{s}}}\\Ip​Is​=Ns​Np​​

  .
• Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и уменьшает ток, а понижающий трансформатор снижает напряжение и увеличивает ток.

Концептуальные вопросы

1. Объясните, что вызывает физические вибрации в трансформаторах, частота которых в два раза превышает частоту переменного тока.

Задачи и упражнения

1. Подключаемый трансформатор, как на рис. 4, подает напряжение 9,00 В на игровую систему. а) Сколько витков во вторичной обмотке, если входное напряжение 120 В, а в первичной обмотке 400 витков? (б) Каков его входной ток, когда его выходной ток равен 1,30 А?

2. Американка, путешествующая по Новой Зеландии, носит с собой трансформатор для преобразования стандартного новозеландского напряжения 240 В в 120 В, чтобы в поездке она могла пользоваться небольшими бытовыми приборами. а) Каково соотношение витков в первичной и вторичной обмотках ее трансформатора? б) Каково отношение входного тока к выходному? (c) Как новозеландка, путешествующая по Соединенным Штатам, могла использовать этот же трансформатор для питания своих приборов на 240 В от 120 В?

3. В кассетном магнитофоне используется съемный трансформатор для преобразования 120 В в 12,0 В с максимальным выходным током 200 мА. а) Каков текущий вход? б) Какова потребляемая мощность? (c) Разумно ли такое количество энергии для небольшого электроприбора?

4. (а) Каково выходное напряжение трансформатора, используемого для аккумуляторных батарей для фонарика, если его первичная обмотка имеет 500 витков, вторичная — 4 витка, а входное напряжение составляет 120 В? (b) Какой входной ток необходим для получения выходного тока 4,00 А? в) Какова потребляемая мощность?

5. (a) Подключаемый трансформатор для портативного компьютера выдает 7,50 В и может обеспечивать максимальный ток 2,00 А. Каков максимальный входной ток, если входное напряжение составляет 240 В? Предположим, что эффективность 100%. (b) Если фактический КПД меньше 100%, должен ли входной ток быть больше или меньше? Объяснять.

6. Многоцелевой трансформатор имеет вторичную обмотку с несколькими точками, из которых может сниматься напряжение, что дает выходное напряжение 5,60, 12,0 и 480 В. (а) Входное напряжение составляет 240 В для первичной обмотки из 280 витков. Какое количество витков в частях вторичной обмотки используется для создания выходных напряжений? (b) Если максимальный входной ток равен 5,00 А, каковы максимальные выходные токи (каждый из которых используется отдельно)?

7. Крупная электростанция вырабатывает электроэнергию напряжением 12,0 кВ. Его старый трансформатор когда-то преобразовывал напряжение в 335 кВ. Вторичная часть этого трансформатора заменяется, чтобы его мощность могла составлять 750 кВ для более эффективной передачи по пересеченной местности по модернизированным линиям электропередачи. а) Каково соотношение витков в новой вторичной обмотке по сравнению со старой вторичной обмоткой? (б) Каково отношение новой мощности по току к старой мощности (на 335 кВ) для той же мощности? (c) Если модернизированные линии электропередачи имеют одинаковое сопротивление, каково отношение потерь мощности в новой линии к потерям мощности в старой?

8. Если выходная мощность в предыдущей задаче равна 1000 МВт, а сопротивление линии равно 2,00 Ом, каковы были потери в старой и новой линии?

9. Необоснованные результаты  Электричество переменного тока напряжением 335 кВ от линии электропередачи подается на первичную обмотку трансформатора. Отношение числа витков во вторичной обмотке к числу витков в первичной равно Н _с / Н _р = 1000. а) Какое напряжение индуцируется во вторичной обмотке? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка являются ответственными?

10. Создайте свою собственную задачу Рассмотрим двойной трансформатор, который будет использоваться для создания очень больших напряжений. Устройство состоит из двух ступеней. Первый — это трансформатор, который выдает гораздо большее выходное напряжение, чем его входное. Выход первого трансформатора используется как вход для второго трансформатора, который дополнительно увеличивает напряжение. Постройте задачу, в которой вы рассчитываете выходное напряжение конечного каскада на основе входного напряжения первого каскада и количества витков или петель в обеих частях обоих трансформаторов (всего четыре катушки). Также рассчитайте максимальный выходной ток конечной ступени на основе входного тока. Обсудите возможность потерь мощности в устройствах и их влияние на выходной ток и мощность.

Глоссарий

трансформатор:

устройство, которое преобразует напряжение из одного значения в другое с помощью индукции

уравнение трансформатора:

количество петель в их витках;

VsVp=NsNp\frac{{V}_{\text{s}}}{{V}_{\text{p}}}=\frac{{N}_{\text{s}}}{{ N}_{\text{p}}}\\Vp​Vs​=Np​Ns​​

повышающий трансформатор:

трансформатор, повышающий напряжение

понижающий трансформатор:

трансформатор, понижающий напряжение

Отдельные решения задач и упражнений

1.