Výkonnostní charakteristiky a konstrukční návrh venkovních sloupo-vých vakuových vypínačů
Od roku 2009 do 2010 byla Státní síť v pilotní fázi plánování inteligentní sítě, zaměřené na vypracování plánu pro rozvoj silné inteligentní sítě, výzkum a vývoj klíčových technologií, výrobu zařízení a provádění pilotních projektů v různých oblastech. Období od roku 2011 do 2015 znamenalo fázi plnohodnotného stavby, během které byl počátečně tvořen operační systém řízení a interaktivní služební systém pro inteligentní síť, dosaženy byly významné průlomy v klíčových technologiích a zařízeních, což vedlo k jejich široké aplikaci.
V letech 2016 až 2020 vstoupila do fáze vedoucí pozice a modernizace, s úplně zavedenou unifikovanou a silnou inteligentní sítí, přičemž technologie a zařízení dosáhly mezinárodně pokročilé úrovně. K této době byla schopnost sítě optimalizovat alokaci zdrojů velmi zlepšena. Pro reakci na cíle rozvoje národní inteligentní sítě je třeba, aby venkovní sloupkové vakuumové spínače nainstalované na hlavních elektrických sítích dosahovaly mikropočítačové inteligentní ochrany s vysokou citlivostí, což znamená nízkou minimální hodnotu primární pracovní proud.
Proto, kromě toho, že každá z tří fází má samostatný transformátor proudu pro diferenciální ochranu, potřebují také venkovní sloupkové vakuumové spínače být vybaveny reziduálními transformátory proudu pro mikropočítačovou ochranu, aby poskytly přesnou ochranu proti úniku pro mikropočítač. Tradiční reziduální transformátory proudu jsou velké, těžké a mají nízkou přesnost.
Ovlivněny faktory jako omezený prostor pro instalaci a dlouhé sekundární vedení, těžko splňují požadavky mikropočítačové ochrany pro venkovní sloupkové vakuumové spínače. V současné době jsou všechny venkovní spínače, které splňují požadavky národní inteligentní sítě, vyráběny zahraničními podniky, což vedlo ke vysokým nákladům. Pro adaptaci k požadavkům rozvoje národní inteligentní sítě je nutné vyvinout venkovní spínače, které splňují potřeby národní inteligentní sítě.
V současné době je hlavním technickým problémem, který musíme řešit, vyvinutí reziduálních transformátorů proudu pro mikropočítačovou ochranu, které lze použít společně s těmito spínači, splňující požadavky na instalaci v malých prostorech, vysoko citlivou mikropočítačovou ochranu proti úniku a přesné fungování, a poprvé dosáhnout lokalizace reziduálních transformátorů proudu pro mikropočítačovou ochranu.
Aplikace a požadavky na výkon reziduálních transformátorů proudu pro mikropočítačovou ochranu
Reziduální transformátor proudu (transformátor nulové sekvence) je specializovaný transformátor proudu navržený pro transformaci reziduálního proudu (nulové sekvence). Používá se pro jednofázovou ochranu proti zemlení v systémech s izolovaným neutrálem. Tři fázové vodiče současně procházejí oknem jádra transformátoru, čímž tvoří primární vinutí transformátoru.
Když systém funguje normálně, vektorový součet tří fázových proudů je nulový a ze sekundární strany reziduálního transformátoru není žádný výstup. Když dojde k jednofázovému zemnění na určité lince, primární proud reziduálního transformátoru dosáhne minimální pracovní hodnoty relé nebo mikropočítačové ochrany, což aktivuje ochranné zařízení.
Jinak zůstane neaktivní. U tradičních reziduálních transformátorů proudu je sekundární strana přímo spojena s relé. Protože počet otáček primárního vinutí transformátoru je obvykle 1, počet otáček sekundárního vinutí je velmi malý. Minimální primární pracovní proud tradičních reziduálních transformátorů proudu se pohybuje obvykle mezi 2,4 A a 10 A, a nominální primární proud tradičních reziduálních transformátorů proudu je obecně volen v rozsahu 15 A až 300 A. Pro splnění přesnostních požadavků je plocha průřezu jádra transformátoru navržena relativně velká, což vede k velkým rozměrům, těžkosti, nízké přesnosti a malé sekundární zatížení.
Pokud je závadový proud menší než 2,4 A, proud vytvořený tradičním transformátorem není dostatečný k aktivaci relé, což vytváří "mrtvou zónu". Proto, aby transformátor mohl poskytnout přesnou ochranu pro mikropočítač v širokém rozsahu pracovních proudů bez mrtvé zóny, je třeba navrhnout speciální reziduální transformátor proudu, který lze použít společně s mikropočítačovou ochranou.
Omezující faktory, jako je prostor pro instalaci spínače, vyžadují, aby speciální reziduální transformátor proudu použitý s mikropočítačovou ochranou nejen byl malého rozměru a lehký, ale také poskytoval přesný sekundární výstup a velké sekundární zatížení. Obvykle je požadován primární pracovní proud transformátoru v rozsahu 0,2 A až 10 A. Pokud může transformátor zajistit dobré linearity a citlivost při vysokém sekundárním zatížení, splní požadavky mikropočítačové ochrany a zabrání vzniku "mrtvé zóny."
Konstrukční návrh reziduálních transformátorů proudu pro mikropočítačovou ochranu
Výběr nominálních parametrů zatížení transformátoru
Venkovní sloupkové vakuumové spínače jsou obvykle instalovány venku a jsou daleko od podporujících automatizačních zařízení. Nicméně, zatížení požadované samotnou mikropočítačovou ochranou je velmi nízké. Při návrhu reziduálního transformátoru proudu se nominální zatížení primárně zaměřuje na zatížení sekundárního vedení transformátoru. Protože mikropočítačové ochranné zařízení je obvykle daleko od venkovního sloupkového spínače, je nominální zatížení transformátoru obvykle vybráno poměrně vysoké, s maximem okolo 200 Ω (tohle zatížení lze upravit podle skutečné situace uživatele).
Výběr počtu otáček primárního a sekundárního vinutí, tvaru jádra a materiálu
Reziduální transformátory proudu pro mikropočítačovou ochranu vyžadují extrémně vysokou citlivost a musí reagovat rychle a přesně. Citlivost se týká schopnosti sekundárního vinutí transformátoru reagovat na únikový proud, což lze popsat tak, že při určitém množství únikového proudu, čím vyšší indukovaná elektromotorická síla různých transformátorů, tím vyšší je jejich citlivost.
Citlivost je spojena s počtem otáček primárního a sekundárního vinutí transformátoru. Čím více otáček má sekundární vinutí, tím vyšší je citlivost. Reziduální transformátor proudu je přímo instalován na tři fázové primární vodiče a primární drát je chráněnou linkou, s počtem primárních otáček 1. Zvýšení počtu primárních otáček není praktické.
Indukovaná elektromotorická síla sekundárního vinutí, U2=4,44f·N2·μ·I1·S, kde:
I1 zastupuje nominální primární proud.
S je plocha průřezu železa.
μ je magnetická průchodivost.
f je frekvence.
N2 je počet otáček sekundárního vinutí.
Jak je vidět ze vzorce, kvůli omezení místa instalace transformátoru nemohou externí rozměry transformátoru být velmi velké. Proto je plocha průřezu jádra transformátoru relativně malá. Chceme-li zvýšit citlivost transformátoru, je třeba buď zvýšit počet otáček sekundárního vinutí, nebo zlepšit magnetickou průchodivost jádra transformátoru.
Nominální primární proud venkovních spínačů je v zásadě 630 A nebo nižší. S ohledem na malou plochu průřezu jádra transformátoru, aby byla zajištěna vysoká citlivost, ukazuje experiment, že počet otáček sekundárního vinutí je obvykle na začátku nastaven mezi 1500 a 2000 otáčkami. Konkrétní počet otáček lze stanovit podle sekundárního zatížení a sekundárního výstupního napětí transformátoru požadovaného mikropočítačem.
Jakmile jsou určeny plocha průřezu jádra, počet otáček a sekundární zatížení, parametr, který ovlivňuje sekundární indukovanou elektromotorickou sílu (tj. citlivost) transformátoru, je spojen pouze s magnetickou průchodivostí jádra. Proto je zásadní určit materiál jádra použitý v transformátoru. Lineárnost a reziduální charakteristiky transformátoru zmíněné dále jsou také úzce spojeny s materiálem jádra.
Analýza dat v tabulce 1 ukazuje, že jak nanokrystalický slitiny, tak Metglas mají nejvyšší magnetickou průvodivost. Nicméně, Metglas má relativně nízkou nasycenou indukci a je také na trhu dražší. Z hlediska komplexního pohledu preferujeme nanokrystalické slitiny jako materiál. Citlivost transformátoru je nepřímo úměrná magnetické průvodivosti jádra a má přímou souvislost s tvarem jádra a délkou magnetického obvodu.
Obecně, kromě použití materiálů s vysokou magnetickou průvodivostí pro jádro k zvýšení citlivosti transformátoru, se také snažíme co nejvíce zkrátit magnetický obvod jádra, aby se snížila magnetická unikávající energie a zajistila využití jádra. V běžných případech má kruhové jádro nejkratší magnetický obvod. Nicméně, protože tři fázové primární vodiče venkovního sloupkového spínače jsou uspořádány vedle sebe v řadě, pokud dovoluje prostor, by mělo být jádro navrženo jako elipsa podle tvaru a vzdálenosti tří fázových primárních vodičů spínače. Tvar transformátoru a jeho polohový vztah k primárnímu vodiči jsou znázorněny na obrázku 1.
Reziduální transformátor proudu by měl být schopen rychle reagovat na neobvyklé stavy úniku v obvodu a poskytnout akční signál napětí pro mikropočítačovou ochrannou zařízení. Transformátor musí mít dobré lineární vlastnosti, aby skutečně odrážel stav chodu obvodu. Lineární vlastnosti se týkají konstantního poměru mezi změnou vstupního proudu a změnou výstupního napětí transformátoru, jak je znázorněno na obrázku 2.
Transformátor je spojen pouze s magnetickou průvodivostí jádra. Proto je zásadní určit materiál jádra použitý v transformátoru. Lineární vlastnosti a reziduální charakteristiky transformátoru zmíněné dále jsou také úzce spojeny s materiálem jádra.
V obvodu je obvykle požadován minimální primární pracovní proud spínače pod 10 A. Proto se obvykle vyžaduje, aby při primárním proudu transformátoru pod 10 A byl poměr mezi změnou vstupního proudu a změnou výstupního napětí transformátoru co nejlépe lineární, aby splňoval požadavky použití. Požadavek na lineární vlastnosti transformátoru vyžaduje opakované testování.
Při dané magnetické průvodivosti jádra a sekundárním zatížení lze lineární změnu výstupního napětí transformátoru zajistit úpravou plochy průřezu jádra nebo počtu sekundárních otáček. Nicméně, ve skutečných obvodech existují často další faktory, které brání transformátoru v poskytování přesného signálu napětí pro mikropočítačovou ochrannou zařízení.
Při instalaci transformátoru je třeba jej nasadit na tři fázové vodiče uspořádané vedle sebe v řadě. Když primární vodič prochází nominálním proudem, reziduální transformátor proudu bude rušen magnetickými poli generovanými třemi fázovými proudy současně a lokální hustota magnetického toku v jádře se zvýší. Pokud bude lokální část jádra předčasně nasycena, lineární vlastnosti transformátoru se zhorší, což závažně ovlivní velikost sekundárního výstupního napětí. To může vést k nesprávnému fungování nebo selhání mikropočítačové ochrany.
Během skutečného provozu, po tom, co reziduální transformátor proudu projde velkým měřítkem zemního závadového proudu, a po dokončení ochranné akce a obnovení dodávky elektrické energie pro další provoz, pokud technické parametry transformátoru nemohou vrátit do stavu před dopadem, tj. pokud v jádře transformátoru zůstane reziduální magnetismus, to závažně ovlivní přesnou funkci ochrany proti úniku při dalším použití.
Při návrhu tohoto reziduálního transformátoru proudu je třeba dbát na následující body:
Jádro by mělo být vyrobeno z nanokrystalické slitiny s vysokou magnetickou průvodivostí a nízkým reziduálním magnetismem. Tento materiál má dobré přetížení a může snadno vrátit se do počátečního magnetického stavu při přetížení. Reziduální napětí transformátoru lze kontrolovat a detekovat, aby nebylo příliš vysoké simulací různých zemních závadových proudů na primární straně. Nicméně, reziduální napětí transformátoru obvykle roste s rostoucí nominální hodnotou primárního proudu. Po dosažení magnetického nasycení jádra však reziduální napětí na sekundární straně transformátoru náhle naroste.
Při návrhu transformátoru, aby se minimalizoval vliv primárního proudu na hodnotu reziduálního napětí reziduálního transformátoru proudu, při výběru nanokrystalické slitiny s vysokou magnetickou průvodivostí a nízkým reziduálním magnetismem pro výrobu jádra, lze společně provést opatření, jako je vhodné zvětšení plochy průřezu jádra nebo snížení interního odporu sekundárního vinutí, aby se snížilo reziduální napětí reziduálního transformátoru proudu.
