Study of Current Transformers Magnetic Field by Method Final Elements Using the FEMM Software Complex

Abstract

The widespread use of current transformers both in relay protection systems and for measuring purposes makes the task of estimating their errors quite urgent. The permissible error levels of modern measuring current transformers should not exceed a fraction of a percent. Moreover, the errors of multi-range current transformers with incomplete filling of the magnetic circuit with secondary windings are determined distribution of the magnetic field in the magnetic system, depending on the scattering fluxes of the windings. The analysis of the capabilities of various software products that implement the finite element method for the calculation of electromagnetic systems. It has been established that, to the greatest extent, for the study of the magnetic field of current transformers by users without special training, is the FEMM software package. Using this program, we studied the distribution of the magnetic field of the current transformer when the magnetic system is not completely filled with turns of the secondary winding and with a different arrangement of the return wire of the multi-turn primary winding relative to the secondary winding for a current transformer with a toroidal magnetic system. For a transformer with a rectangular magnetic system, a magnetic field is simulated for one and two secondary coils. The characteristics of the distribution of the magnetic field in the magnetic system and the normal component of the scattering field of the transformer have been obtained. The diagrams of the magnetic field vectors are constructed for different sections of the transformer magnetic system. It is shown that when the magnetic system is incompletely filled with turns of the secondary winding, a significant uneven distribution of magnetic induction along the magnetic circuit occurs, which leads to an increase in the error of the current transformer. Studies have shown the effectiveness of the finite element method for modeling magnetic fields and error estimation of current transformers. The FEMM software environment used for research is a universal and accurate information technology for calculating current transformers, convenient for users without special training.

Широке застосування трансформаторів струму як в системах релейного захисту, так і в вимірювальних цілях робить досить актуальною задачу оцінки їх похибок. При цьому похибки багатодіпазонних трансформаторів струму з неповним заповненням магнітопроводу витками вторинної обмотки визначаються розподілом магнітного поля в магнітній системі, що залежать від потоків розсіювання обмоток. Проведено аналіз можливостей різних програмних продуктів, що реалізують метод кінцевих елементів для розрахунку електромагнітних систем. За допомогою програмного комплексу FEMM, виконано дослідження розподілу магнітного поля трансформатора струму при неповному заповненні магнітної системи витками вторинної обмотки і при різному розташуванні зворотного проводу багатовиткової первинної обмотки щодо вторинної обмотки для трансформатора струму з тороідальною магнітною системою Для трансформатора з прямокутною магнітною системою виконано моделювання магнітного поля при одній і двох котушках вторинної обмотки. Отримано характеристики розподілу магнітного поля в магнітній системі і нормальної складової поля розсіювання трансформатора. Побудовано діаграми векторів напруженості магнітного поля для різних ділянок магнітної системи трансформатора. Показано, що при неповному заповненні магнітної системи витками вторинної обмотки виникає значна нерівномірність розподілу магнітної індукції вздовж магнітопроводу,, що призводить до збільшення похибки трансформатора струму. Проведені дослідження показують ефективність застосування методу скінченних елементів для моделювання магнітних полів і оцінки похибок трансформаторів струму. Програмне середовище FEMM, використане для дослідження, є універсальною і точною інформаційною технологією аналізу магнітного поля трансформаторів струму, зручною для користувачів без спеціальної підготовки

Широкое применение трансформаторов тока, как в системах релейной защиты, так и в измерительных целях определяет задачу оценки их погрешностей достаточно актуальной. При этом погрешности многодиапазонных трансформаторов тока с неполным заполнением магнитопровода витками вторичной обмотки в значительной мере определяются распределением магнитного поля в магнитной системе, зависящим от потоков рассеяния обмоток. Проведен анализ возможностей различных программных продуктов, реализующих метод конечных элементов, для расчета электромагнитных систем. С помощью программного комплекса FEMM, выполнено исследование распределения магнитного поля трансформатора тока при неполном заполнении магнитной системы витками вторичной обмотки и при различном расположении обратного провода многовитковой первичной обмотки относительно вторичной обмотки для трансформатора тока с тороидальной магнитной системой. Для трансформатора с прямоугольной магнитной системой выполнено моделирование магнитного поля при одной и двух катушках вторичной обмотки. Получены характеристики распределения магнитного поля в магнитной системе и нормальной составляющей поля рассеяния трансформатора. Построены диаграммы векторов напряженности магнитного поля для разных участков магнитной системы. Показано, что при неполном заполнении магнитной системы витками вторичной обмотки возникает значительная неравномерность распределения магнитной индукции вдоль магнитопровода, что приводит к увеличению погрешности трансформатора тока. Проведенные исследования показывают эффективность применения метода конечных элементов для моделирования магнитных полей и оценки погрешностей трансформаторов тока. Программная среда FEMM, использованная для исследования, является универсальной и точной информационной технологией для анализа магнитного поля трансформаторов тока, удобной для пользователей без специальной подготовки.