ПРИМЕНЕНИЕ АМОРФНОГО ЖЕЛЕЗА ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ

ПРИМЕНЕНИЕ АМОРФНОГО ЖЕЛЕЗА ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСФОРМАТОРНОГО
ДАТЧИКА ТОКА
Клименко Ксения Александровна
аспирант Омского государственного технического университета, г. Омск
E-mail: klimenko22@rambler.ru
В
электроэнергетике
актуальной
является
проблема
получения
достоверных данных от измерительных приборов. Для увеличения точности
измерительных приборов применяют современные материалы и новые
высокоточные методы измерения.
Одним из методов улучшения электромагнитных характеристик и
повышения точности трансформаторных датчиков тока является применение в
качестве материала магнитопровода аморфного железа.
Аморфные
—
сплавы
особый
класс
прецизионных
сплавов,
отличающихся структурой, способом изготовления и комплексом физических
свойств [2]. Особенностью аморфных сплавов является большое (около 20 %)
содержание таких элементов, как бор, углерод, фосфор и проч., необходимых
для сохранения аморфной структуры. Наличие этих элементов снижает
максимальные значения индукции насыщения в аморфных сплавах по
сравнению с кристаллическими и увеличивает температурный коэффициент
магнитных свойств. Эти же элементы увеличивают электросопротивление,
повышают твёрдость и прочность аморфных сплавов, а также их коррозионную
стойкость [4].
Магнитопроводы из аморфных и нанокристаллических сплавов имеют
значительно
меньшие
удельные
магнитные
потери
по
сравнению
с
электротехнической сталью, пермаллоями и ферритами. Они обладают высокой
начальной и максимальной относительной магнитной проницаемостью и
индукцией
насыщения
на
высоких
частотах
напряжения.
Благодаря
уникальным свойствам, аморфные сплавы получили широкое распространение
в
современной
устройствах [5].
радиоэлектронной
аппаратуре
и
электротехнических
В таблице 1 приведены основные магнитные свойства материалов,
применяемых
при
трансформаторов
изготовлении
тока [3].
магнитопроводов
Относительная
промышленных
магнитная
проницаемость
электротехнической стали, применяемой для изготовления магнитопроводов,
находится в диапазоне от 250 до 4500 [1].
Таблица 1.
Магнитные свойства материалов магнитопровода.
Материал
Аморфный
Магнитные свойства
Электротехническая
сталь
На
Со
основе
На
основе
Fe
Индукция насыщения, Вs (Tл)
2,0
0,58
1,56
Начальная
проницаемость, µ i
магнитная
250
60000
5000
Максимальная
проницаемость, µ max
магнитная
4500
160000
50000
В программном комплексе Elcut проведены исследования влияния
материала
магнитопровода
трансформаторного
датчика
тока
на
электромагнитное поле системы «трансформаторный датчик тока — шина с
током».
Конструкция трансформаторного датчика тока представляет собой систему,
состоящую из магнитопровода, измерительной обмотки, короткозамкнутого
кольца (материал кольца — медь) и первичной обмотки (шины) с измеряемым
током (амплитудное значение тока Im=63 А, начальная фаза φ=0°). Главное
отличие
конструкции
промышленного
трансформаторного
трансформатора
тока
датчика
тока
заключается
от
конструкции
в
наличие
электропроводящего неферромагнитного кольца, охватывающего магнитопровод.
На рис. 1. приведена конструкция трансформаторного датчика тока.
Рисунок 1. Трансформаторный датчик тока:
1 — магнитопровод; 2 — шина с измеряемым током; 3 —
короткозамкнутое кольцо (толщина короткозамкнутого кольца h
составляла 1 мм и,- 2 мм)
Расположение сигнальной обмотки показано на рис. 2.
Рисунок 2. Трансформаторный датчик тока:
1 — короткозамкнутое кольцо; 2 — сигнальная обмотка, располагается
под короткозамкнутым кольцом (uc — напряжение сигнальной обмотки); 3
— магнитопровод (h=20 мм)
В условиях экранирующего действия короткозамкнутого кольца магнитная
индукция в магнитопроводе рассматриваемого устройства во много раз меньше
индукции насыщения магнитопровода. В связи с этим рассматриваемую задачу
можно считать линейной. При решении
задачи
приняты
следующие
допущения:
• магнитопровод линейный;
• вихревые токи в ферромагнитном магнитопроводе принебрежимо малы;
• отсутствуют потери на гистерезис.
При расчете также не учитываются потоки рассеяния через торцевые
поверхности. Т. е. рассматриваемая задача сводится к двухмерной и для расчета
электромагнитного поля может быть использован программный комплекс
Elcut. [6].
На рис. 3. приведена картина линий индукции магнитного поля системы
«трансформаторный датчик тока — шина с током», магнитопровод изготовлен
из электротехнической стали.
Рисунок 3. Картина линий индукции системы «трансформаторный
датчик тока — шина с током», материал магнитопровода —
электротехническая сталь (µотн=1200), толщина короткозамкнутого
кольца: а) 1 мм; б) 2 мм.
На рис. 4. приведена картина линий индукции магнитного поля системы
«трансформаторный датчик тока — шина с током», магнитопровод изготовлен
из аморфного железа.
Рисунок 4. Картина линий индукции системы «трансформаторный
датчик тока — шина с током», материал магнитопровода — аморфное
железо, (µотн=10000), толщина короткозамкнутого кольца: а) 1 мм; б)
2 мм.
В табл. 2 приведены результаты исследования влияния материала
магнитопровода на электромагнитное поле системы. Комплексное амплитудное
значение магнитного потока рассчитывается по формуле:
Ф = Ф ⋅ e jϕ
m
m
,
где Фm — амплитудное значение магнитного потока; φ — начальная фаза
магнитного потока.
Таблица 2.
Магнитный поток в сечении 1 — 1 магнитопровода.
Толщина
короткозамкнут
ого кольца, мм
1
2
Аморфное
железо
Электротехническая сталь
(относительная магнит(относительная магнитная
ная
проницаемость
проницаемость µотн=1200)
µотн=10000)
-6
Фm, 10 Вб
φ, °
Фm, 10-6 Вб φ, °
17,556
98,68
17,869
90,86
8,861
93,95
8,935
90,02
По полученным амплитудным значениям магнитного потока в сечении
магнитопровода 1 — 1, расположенном под короткозамкнутым кольцом можно
судить о преимуществах применения в качестве материала магнитопровода
трансформаторного датчика тока аморфного железа.
Вывод
Преимущества
применения
в
качестве
материала
магнитопровода
трансформаторного датчика тока аморфного железа заключаются в сокращении
расхода материала короткозамкнутого кольца и уменьшении сдвига фаз между
первичным током в шине и напряжением сигнальной обмотки.
Список литературы:
1.
Аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы [Электронный
ресурс] // Магнитомягкие материалы и электромагнитные компоненты
МСТАТОР. URL: http://mstator.ru/products/amorf
2.
Аморфные металлы. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. / Под ред.
Масумото Ц. Пер. с япон. — М.: Металлургия, 1987. — 328 с.
3.
Дружинин В. В.
Магнитные
свойства
электротехнической
стали
/
В. В. Дружинин. — М.: Энергия, 1974. — 240 с.
4.
Ковнеристый Ю. К. Объемно-аморфизирующиеся металлические сплавы
[Текст] / Ю. К. Ковнеристый. — М.: Наука, 1999. — 80 с.
5.
Терейковский А. С. Сердечники из аморфных сплавов [Электронный
ресурс]
//
Ферриты
и
ферритовые
сердечники
ЛЭПКОС.
URL:
http://ferrite.com.ua/amorphous/index.html (дата обращения: 19.09.2011).
ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов.
Версия 5.5 — : Руководство пользователя. — СПб.: Производственный
кооператив
ТОР.
—
[Электронный
http:/www.tor.ru/elcut/demo/Manual.pdf
ресурс]
—
URL: