Ydeevnekarakteristika og strukturel design af udendørs stolpe-monterede vakuumkredsløbsbrydere
Fra 2009 til 2010 var Statens Net i pilotfasen af smart grid-planlægningen, med fokus på udvikling af stærk smart grid-udviklingsplan, forskning og udvikling af nøglekompetencer, produktion af udstyr og gennemførelse af pilotprojekter i forskellige sektorer. Perioden fra 2011 til 2015 markerede den fuldskala konstruktionsfase, hvor et drifts- og interaktivt tjenestesystem for smart grid blev initielt dannet, og der opnås betydelige gennembrud i nøglekompetencer og udstyr, hvilket førte til deres omfattende anvendelse.
Fra 2016 til 2020 indgik det i ledelses- og opgraderingsfasen, med en ensartet og stærk smart grid fuldt etableret, og teknologier og udstyr, der nåede internationalt avancerede niveauer. Ved dette tidspunkt vil netværkets evne til at optimere ressourceallokering være markant forbedret. For at svare på udviklingsmål for det nationale smart grid, skal outdoor pole-mounted vakuum kredsløbsbrydere, som er installeret på de største elektriske net, kunne opnå mikrocomputerbaseret intelligent beskyttelse med høj sensitivitet, hvilket betyder en lav minimumsprimær driftsstrøm værdi.
Derfor, ud over at hver af de tre faser er udstyret med en separat strømtransformator til differentialbeskyttelse, har outdoor pole-mounted vakuum kredsløbsbrydere også brug for at være udstyret med reststrømtransformatorer til mikrocomputerbeskyttelse for at give præcis leckagebeskyttelse for mikrocomputeren. Traditionelle reststrømtransformatorer er store, tunge og har lav præcision.
Påvirket af faktorer som begrænset installationsplads og lange sekundære ledningskredsløb, kan de knap nok opfylde anvendelseskriterierne for mikrocomputerbeskyttelse af outdoor pole-mounted vakuum kredsløbsbrydere. I øjeblikket produceres alle outdoor kredsløbsbrydere, der kan opfylde kravene for det nationale smart grid, af udenlandske selskaber, hvilket resulterer i høje omkostninger. For at tilpasse sig udviklingskravene for det nationale smart grid, er det nødvendigt at udvikle outdoor kredsløbsbrydere, der opfylder behovene for det nationale smart grid.
I øjeblikket er den primære tekniske udfordring, vi skal adressere, at udvikle reststrømtransformatorer til mikrocomputerbeskyttelse, der kan bruges sammen med disse kredsløbsbrydere, og opfylde kravene til installation i små rum, høj-sensitiv leckage mikrocomputerbeskyttelse og præcis drift, og først opnå lokaliseringsgraden af reststrømtransformatorer til mikrocomputerbeskyttelse.
Anvendelser og ydeevnekrav for reststrømtransformatorer til mikrocomputerbeskyttelse
Reststrømtransformator (nullsekvensstrømtransformator) er en specialiseret strømtransformator, der er designet til at transformere reststrøm (nullsekvensstrøm). Den bruges til en-fased jordforbindelsesbeskyttelse i neutrale isolerede systemer. De tre-fasede ledere passer samtidig igennem transformatorens kernevindue, som fungerer som primærspolen af transformatoren.
Når systemet fungerer normalt, er fasor-summen af de tre-fasede strømme nul, og der er ingen output fra reststrømtransformatorens sekundære side. Når en en-fased jordfejl opstår i en bestemt linje, når primærstrømmen af reststrømtransformatoren mindste driftsstrøm for relæet eller mikrocomputerbeskyttelsen, hvilket aktiverer beskyttelsesenheden til handling.
Ellers forbliver den inaktiv. I traditionelle reststrømtransformatorer er sekundære siden direkte forbundet til et relæ. Da antallet af vindinger i transformatorens primærspole normalt er 1, er antallet af vindinger i sekundærspolen meget lille. Traditionelle reststrømtransformatorers mindste primær driftsstrøm ligger mest ofte mellem 2,4A og 10A, og den normale primærstrøm for traditionelle reststrømtransformatorer er generelt valgt i intervallet 15A til 300A. For at opfylde præcisionskrav, er kernekorssektionen af transformatoren designet til at være relativt stor, hvilket resulterer i en stor størrelse, tung vægt, lav præcision og lille sekundær belastning.
Når fejlstrømmen er mindre end 2,4A, er strømmen, der gives af den traditionelle transformator, ikke tilstrækkelig til at aktivere relæet, hvilket skaber en "død zone". Derfor, for at muliggøre, at transformatoren kan give præcis beskyttelse til mikrocomputeren i et bredt spektrum af driftsstrømme uden en død zone, er det nødvendigt at designe en speciel reststrømtransformator, der kan bruges sammen med mikrocomputerbeskyttelse.
Begrænset af kredsløbsbryderens installationsplads, skal den specielle reststrømtransformator, der bruges sammen med mikrocomputerbeskyttelse, ikke kun være lille i størrelse og let i vægt, men kræver også høj-præcision sekundær output og stor sekundær belastning. Generelt er transformatorens primær driftsstrøm krævet at være mellem 0,2A og 10A. Hvis transformatoren kan sikre god lineæritet og sensitivitet under betingelser med stor sekundær belastningsoutput, kan den opfylde kravene til mikrocomputerbeskyttelse og undgå opståelsen af en "død zone."
Konstruktion af reststrømtransformatorer til mikrocomputerbeskyttelse
Valg af nominel belastningsparametre for transformator
Outdoor pole-mounted vakuum kredsløbsbrydere er generelt installeret udendørs og langt fra de understøttende automatiseringsenheder. Imidlertid er belastningen, som mikrocomputerbeskyttelsen selv kræver, meget lav. Når man designer reststrømtransformator, tager man hovedsagelig hensyn til belastningen af transformatorens sekundære ledningskredsløb. Eftersom mikrocomputerbeskyttelsesenheten normalt er langt fra den outdoor pole-mounted kredsløbsbryder, der er installeret udendørs, er transformatorens nominelle belastning generelt valgt til at være relativt stor, med maksimum på ca. 200Ω (denne belastning kan fastsættes i henhold til brugerens reelle situation).
Valg af antallet af vindinger i primær- og sekundærspoler, kernes form og materiale
Reststrømtransformatorer til mikrocomputerbeskyttelse kræver ekstremt høj sensitivitet og skal kunne reagere hurtigt og præcist. Sensitivitet refererer til sekundærspolens evne til at reagere på leckagestrøm, som kan beskrives som følgende: ved en bestemt mængde leckagestrøm, jo højere den inducerede elektromotoriske kraft af forskellige transformatorer, desto højere deres sensitivitet.
Sensitiviteten er relateret til antallet af vindinger i primær- og sekundærspolerne af transformator. Jo flere vindinger i sekundærspolen, desto højere sensitiviteten. Reststrømtransformatoren er direkte installeret på de tre-fasede primærledere, og primærledingen er den beskyttede linje, med antallet af primær vindinger være 1. At øge antallet af primær vindinger er ikke praktisk.
Den inducerede elektromotoriske kraft af sekundærspolen, U2=4,44f·N2·μ·I1·S, hvor:
I1 repræsenterer den nominelle primærstrøm.
S er kernekorssektionen.
μ er magnetpermeabiliteten.
f er frekvensen.
N2 er antallet af vindinger i sekundærspolen.
Som kan ses af formelen, på grund af begrænsningerne i transformatorens installationsplacering, kan de ydre dimensioner af transformatoren ikke være meget store. Derfor er kernekorssektionen af transformatoren relativt lille. For at forbedre sensitiviteten af transformatoren, er det nødvendigt enten at øge antallet af vindinger i sekundærspolen eller forbedre magnetpermeabiliteten af transformatorens kerne.
Den nominelle primærstrøm af outdoor kredsløbsbrydere er generelt 630A eller mindre. Givet den lille kernekorssektion af transformatoren, for at sikre høj sensitivitet, er antallet af vindinger i sekundærspolen gennem forsøg generelt initialt sat mellem 1500 og 2000 vindinger. Det specifikke antal vindinger kan bestemmes i henhold til sekundærbelastningen og den sekundære outputspænding, som transformatoren kræver fra mikrocomputeren.
Når kernekorssektionen, antallet af vindinger og sekundærbelastningen er fastlagt, er parameteren, der påvirker den sekundære inducerede elektromotoriske kraft (dvs. sensitiviteten) af
transformatoren kun relateret til magnetpermeabiliteten af kernen. Derfor er det afgørende vigtigt at fastlægge materialet, der bruges i transformatorens kerne. Linæriteten og restegenskaberne af transformatoren, som nævnes senere, er også tæt relateret til materialet i kernen.
Ved analyse af dataene i Tabel 1, har både nanokristallin legemat og Metglas den højeste magnetpermeabilitet. Imidlertid har Metglas en relativt lav mættelsesinduktion og er også dyrt på markedet. Med hensyn til en helhedsvurdering, foretrækker vi at vælge nanokristallin legemat som materiale.Transformatorens sensitivitet er ikke blot proportional med magnetpermeabiliteten af kernen, men har også en direkte relation til formen af kernen og længden af magnetkredsløbet.
Generelt, udover at bruge materialer med høj permeabilitet til kernen for at forbedre transformatorens sensitivitet, forsøger vi også at forkorte kernen's magnetkredsløb så meget som muligt for at reducere magnetisk lekkage og sikre udnyttelsen af kernen. Under normale omstændigheder har en cirkulær kerne det korteste magnetkredsløb. Men da de tre-fasede primærledere i outdoor pole-mounted kredsløbsbryder er placeret side-ved-side i en linje, bør kernen, når pladsen tillader det, designes som en ellipse baseret på placeringen og afstanden mellem de tre-fasede primærledere i kredsløbsbryderen. Formen af transformator og dens positionsmæssige forhold til primærlederen vises i figur 1.
Reststrømtransformatoren bør kunne reagere hurtigt på abnorme leckagetilstande i kredsløbet og give en handlebar spændingssignal til mikrocomputerbeskyttelsen. Transformatoren skal have god lineæritet for at virkelig afspejle kredsløbets driftstillstand. Lineæritet refererer til, at forholdet mellem ændringen i inputstrømmen og ændringen i outputspændingen af transformatoren er en konstant, som vist i figur 2.
transformatoren er kun relateret til magnetpermeabiliteten af kernen. Derfor er det afgørende vigtigt at fastlægge materialet, der bruges i transformatorens kerne. Linæriteten og restegenskaberne af transformatoren, som nævnes senere, er også tæt relateret til materialet i kernen.
I kredsløbet, er den minimale primær driftsstrøm af kredsløbsbryderen generelt krævet at være under 10A. Derfor, er det generelt krævet, at når transformatorens primærstrøm er under 10A, jo bedre forholdet mellem ændringen i inputstrømmen og ændringen i outputspændingen af transformatoren er lineært, desto mere kan det opfylde brugsbehov. Kravet til transformatorens lineæritet skal testes gentagne gange.
Under betingelser af en given magnetpermeabilitet af kernen og sekundærbelastning, er spændingsoutputtet af transformatoren sikret at ændre sig lineært ved at justere kernekorssektionen eller antallet af sekundære vindinger. Imidlertid er der ofte andre faktorer, der påvirker, at transformatoren kan give et præcist spændingssignal til mikrocomputerbeskyttelsen i det faktiske kredsløb.
Når transformatoren installeres, skal den sættes på de tre-fasede ledere, der er placeret side-ved-side i en linje. Når primærlederen passerer den nominelle strøm, vil reststrømtransformatoren blive forstyrret af de magnetfelt, der genereres af de tre-fasede strømme samtidigt, og den lokale magnetfluxtæthed i kernen vil stige. Hvis den lokale del af kernen oversaturs, vil transformatorens lineæritet forringes, hvilket alvorligt påvirker størrelsen af sekundært outputspændingen. Dette kan føre til, at mikrocomputerbeskyttelsen mislykkes eller ikke fungerer korrekt.
Under den faktiske drift, efter at reststrømtransformatoren er påvirket af en stor jordfejlstrøm, og efter at beskyttelseshandlingen er fuldført og strømforsyningen genoprettet for fortsat drift, hvis de tekniske parametre af transformatoren ikke kan vende tilbage til tilstanden før påvirkningen, dvs. hvis der er restmagnetisme i kernen, vil det alvorligt påvirke den korrekte funktion af leckagebeskytteren næste gang.
Når denne reststrømtransformator designes, bør følgende bemærkninger tages i betragtning:
Kernen bør helst være lavet af nanokristallin legemat med høj magnetpermeabilitet og lav restmagnetisme. Dette materiale har gode overlastegenskaber og kan nemt vende tilbage til den initiale magnetiske tilstand under overstrøm-påvirkning. Restspændingen af transformatoren kan kontrolleres og detekteres for ikke at være for stor ved at simulere gennemgang af forskellige jordfejlstrømme på primærsiden. Imidlertid øges restspændingen af transformatoren generelt med stigningen i den nominelle primærstrøm. Men efter at kernen når mættelse, vil restspændingen på sekundærsiden af transformatoren stige skarpt.
Når transformatoren designes, for at minimere påvirkningen af primærstrømmen på restspændingsværdien af reststrømtransformator, når man vælger nanokristallin legemat med høj magnetpermeabilitet og lav restmagnetisme til at lave kernen, kan foranstaltninger som passende øgning af kernekorssektionen eller reduktion af sekundær vindings interna resistance træffes sammen for at reducere reststrømtransformatorens restspænding.
