Leistungseigenschaften und strukturelles Design von draußen stehenden Stabmontage-Vakuumschaltbrechern
Von 2009 bis 2010 war der Staatsnetz in der Pilotphase der Smart-Grid-Planung, mit dem Fokus auf die Entwicklung des stärkeren Smart-Grid-Entwicklungsplans, der Forschung und Entwicklung von Schlüsseltechnologien, der Herstellung von Ausrüstungen und der Durchführung von Pilotprojekten in verschiedenen Sektoren. Die Zeit von 2011 bis 2015 markierte die Vollständig-Bau-Phase, während der ein Betriebskontroll- und interaktiver Dienstesystem für das Smart Grid initially gebildet wurde, und bedeutende Durchbrüche in Schlüsseltechnologien und Ausrüstungen erreicht wurden, was zu ihrer weit verbreiteten Anwendung führte.
Von 2016 bis 2020 trat es in die Führung- und Modernisierungsphase ein, mit einem einheitlichen und starken Smart Grid vollständig etabliert, und die Technologien und Ausrüstungen erreichten internationale fortschrittliche Niveaus. Bis dahin wird die Fähigkeit des Netzes zur Optimierung der Ressourcenverteilung erheblich verbessert. Um den Entwicklungszielen des nationalen Smart Grids gerecht zu werden, müssen an den Hauptnetzen installierte Außen-Pfahl-Vakuumschaltgeräte eine Mikrocomputer-basierte intelligente Schutzsystem mit hoher Empfindlichkeit erreichen, was bedeutet, dass der minimale primäre Betriebsstromwert niedrig sein muss.
Daher müssen neben jedem der drei Phasen getrennte Stromwandler für Differenzschutz ausgestattet sein, auch müssen Außen-Pfahl-Vakuumschaltgeräte mit Reststromwandler für Mikrocomputerschutz ausgestattet sein, um präzisen Leckageschutz für den Mikrocomputer bereitzustellen. Traditionelle Reststromwandler sind groß, schwer und haben eine geringe Genauigkeit.
Beeinflusst durch Faktoren wie begrenzter Installationsraum und lange sekundäre Leiterkreise können sie kaum die Anwendungsanforderungen des Mikrocomputerschutzes für Außen-Pfahl-Vakuumschaltgeräte erfüllen. Derzeit werden alle Außen-Schaltgeräte, die den Anforderungen des nationalen Smart Grids entsprechen, von ausländischen Unternehmen hergestellt, was zu hohen Kosten führt. Um den Entwicklungsanforderungen des nationalen Smart Grids gerecht zu werden, ist es notwendig, Außen-Schaltgeräte zu entwickeln, die den Bedürfnissen des nationalen Smart Grids entsprechen.
Derzeit ist die primäre technische Herausforderung, die wir bewältigen müssen, die Entwicklung von Reststromwandlern für Mikrocomputerschutz, die in Kombination mit diesen Schaltgeräten verwendet werden können, die Anforderungen an die Installation in kleinen Räumen, hochempfindlichen Leckageschutz für Mikrocomputer und genaue Funktion erfüllen und zunächst die Lokalisierung von Reststromwandlern für Mikrocomputerschutz erreichen.
Anwendungen und Leistungsanforderungen von Reststromwandlern für Mikrocomputerschutz
Der Reststromwandler (Nullfolgenstromwandler) ist ein speziell entworfener Stromwandler, der dazu dient, Reststrom (Nullfolgenstrom) zu transformieren. Er wird für Einphasen-Erdschluss-Schutz in neutral isolierten Systemen verwendet. Die drei Phasenleiter passieren gleichzeitig das Fenster des Transformatorkerns, wobei sie als Primärwicklung des Transformators dienen.
Wenn das System normal arbeitet, ist die Phasensumme der Drei-Phasen-Stroms Null, und es gibt keine Ausgabe auf der Sekundarseite des Reststromwandlers. Wenn ein Einphasen-Erdschlussfehler in einer bestimmten Leitung auftritt, erreicht der Primärstrom des Reststromwandlers den minimalen Betriebsstrom des Relais oder des Mikrocomputerschutzes, was das Schutzgerät auslösen lässt.
Andernfalls bleibt es inaktiv. In traditionellen Reststromwandlern ist die Sekundarseite direkt mit einem Relais verbunden. Da die Windungszahl der Primärwicklung des Transformators normalerweise 1 beträgt, ist die Windungszahl der Sekundärwicklung sehr klein. Der minimale primäre Betriebsstrom traditioneller Reststromwandler liegt meist zwischen 2,4A und 10A, und der nominale primäre Strom traditioneller Reststromwandler wird in der Regel im Bereich von 15A bis 300A gewählt. Um den Genauigkeitsanforderungen gerecht zu werden, wird die Querschnittsfläche des Transformatorkerns relativ groß gestaltet, was zu großen Abmessungen, hohem Gewicht, geringer Genauigkeit und kleinem sekundären Last führt.
Wenn der Fehlerstrom unter 2,4A liegt, ist der vom traditionellen Wandler ausgegebene Strom nicht ausreichend, um das Relais zu aktivieren, was eine "Tote Zone" schafft. Daher ist es notwendig, einen speziellen Reststromwandler zu entwerfen, der in Kombination mit Mikrocomputerschutz verwendet werden kann, um präzisen Schutz für den Mikrocomputer bei einem weiten Bereich von Betriebsströmen ohne Tote Zone zu bieten.
Aufgrund der begrenzten Installationsraum des Schalters sollte der spezielle Reststromwandler, der mit Mikrocomputerschutz verwendet wird, nicht nur klein und leicht sein, sondern auch eine hochpräzise sekundäre Ausgabe und eine große sekundäre Last haben. Im Allgemeinen wird der primäre Betriebsstrom des Wandlers zwischen 0,2A und 10A gefordert. Wenn der Wandler unter der Bedingung einer großen sekundären Lastausgabe gute Linearität und Empfindlichkeit sicherstellen kann, kann er die Anforderungen des Mikrocomputerschutzes erfüllen und das Auftreten einer "Toten Zone" vermeiden.
Strukturdesign von Reststromwandlern für Mikrocomputerschutz
Auswahl der Nennlastparameter des Wandlers
Außen-Pfahl-Vakuumschaltgeräte werden normalerweise draußen installiert und sind weit entfernt von den unterstützenden Automatisierungseinrichtungen. Die von dem Mikrocomputerschutz selbst benötigte Last ist jedoch sehr gering. Beim Design des Reststromwandlers berücksichtigt die Nennlast hauptsächlich die Last des sekundären Leiterkreises des Wandlers. Da das Mikrocomputerschutzgerät normalerweise weit von dem draußen installierten Pfahl-Schalter entfernt ist, wird die Nennlast des Wandlers normalerweise relativ groß gewählt, mit einem Maximum von etwa 200Ω (diese Last kann gemäß der tatsächlichen Situation des Benutzers bestimmt werden).
Auswahl der Windungszahl der Primär- und Sekundärwindungen, Kernform und Material
Reststromwandlern für Mikrocomputerschutz erfordern extrem hohe Empfindlichkeit und müssen schnell und präzise reagieren. Empfindlichkeit bezieht sich auf die Fähigkeit der Sekundärwicklung des Wandlers, auf Leckstrom zu reagieren, was folgendermaßen beschrieben werden kann: Je höher die induzierte Spannung verschiedener Wandlern bei einer bestimmten Menge an Leckstrom, desto höher ihre Empfindlichkeit.
Die Empfindlichkeit hängt mit der Windungszahl der Primär- und Sekundärwindungen des Wandlers zusammen. Je mehr Windungen in der Sekundärwicklung, desto höher die Empfindlichkeit. Der Reststromwandler wird direkt auf den drei Phasen-Primärleitern installiert, und der Primärleitung ist die geschützte Leitung, mit einer Primärwindungszahl von 1. Eine Erhöhung der Primärwindungszahl ist nicht praktikabel.
Die induzierte Spannung der Sekundärwicklung, U2=4,44f⋅N2⋅μ⋅I1⋅S, wobei:
I1 stellt den nominellen primären Strom dar.
S ist die Querschnittsfläche des Eisenkerns.
μ ist die magnetische Permeabilität.
f ist die Frequenz.
N2 ist die Windungszahl der Sekundärwicklung.
Wie aus der Formel ersichtlich, sind aufgrund der Einschränkungen des Installationsortes des Wandlers die äußeren Abmessungen des Wandlers nicht sehr groß. Daher ist die Querschnittsfläche des Eisenkerns des Wandlers relativ klein. Um die Empfindlichkeit des Wandlers zu erhöhen, ist es notwendig, entweder die Windungszahl der Sekundärwicklung zu erhöhen oder die magnetische Permeabilität des Eisenkerns des Wandlers zu verbessern.
Der nominelle primäre Strom von Außen-Schaltgeräten beträgt in der Regel 630A oder weniger. Angesichts der kleinen Querschnittsfläche des Eisenkerns des Wandlers, um eine hohe Empfindlichkeit sicherzustellen, wird die Windungszahl der Sekundärwicklung durch Experimente normalerweise zwischen 1500 und 2000 Windungen vorgegeben. Die spezifische Windungszahl kann gemäß der sekundären Last und der erforderlichen sekundären Ausgangsspannung des Wandlers durch den Mikrocomputer bestimmt werden.
Sobald die Querschnittsfläche des Eisenkerns, die Windungszahl und die sekundäre Last festgelegt sind, ist der Parameter, der die sekundäre induzierte Spannung (also die Empfindlichkeit) des
Wandlers beeinflusst, nur noch mit der magnetischen Permeabilität des Eisenkerns verbunden. Daher ist die Bestimmung des Materials des Eisenkerns, das in dem Wandler verwendet wird, von entscheidender Bedeutung. Die Linearität und die Rückstandscharakteristik des Wandlers, die später erwähnt werden, hängen auch eng mit dem Material des Eisenkerns zusammen.
Die Analyse der Daten in Tabelle 1 zeigt, dass sowohl nanokristallines Legierungsmaterial als auch Metglas die höchste magnetische Permeabilität haben. Metglas hat jedoch eine relativ geringe Sättigungsinduktion und ist auch teuer auf dem Markt. Unter Berücksichtigung aller Aspekte bevorzugen wir nanokristallines Legierungsmaterial als Material.Die Empfindlichkeit des Wandlers steht nicht nur direkt proportional zur magnetischen Permeabilität des Eisenkerns, sondern hat auch eine direkte Beziehung zur Form des Eisenkerns und zur Länge des magnetischen Kreises.
Normalerweise versuchen wir, neben dem Einsatz von Materialien mit hoher Permeabilität für den Eisenkern, um die Empfindlichkeit des Wandlers zu erhöhen, auch, den magnetischen Kreis des Eisenkerns so kurz wie möglich zu halten, um magnetische Leckage zu reduzieren und die Nutzung des Eisenkerns zu gewährleisten. In der Regel hat ein runder Eisenkern den kürzesten magnetischen Kreis. Da die drei Phasen-Primärleiter des Außen-Pfahl-Schalters nebeneinander in einer Reihe angeordnet sind, sollte der Eisenkern, wenn Platz vorhanden ist, basierend auf der Anordnung und dem Abstand der drei Phasen-Primärleiter des Schalters, elliptisch gestaltet werden. Die Form des Wandlers und seine Position in Bezug auf den Primärleiter sind in Abbildung 1 dargestellt.
Der Reststromwandler sollte schnell auf ungewöhnliche Leckzustände im Schaltkreis reagieren und ein handlungsfähiges Spannungssignal an das Mikrocomputerschutzgerät liefern. Der Wandler muss eine gute Linearität aufweisen, um den Betriebsstatus des Schaltkreises wahrheitsgemäß widerzuspiegeln. Linearität bezieht sich darauf, dass das Verhältnis zwischen der Änderung des Eingangsstroms und der Änderung der Ausgangsspannung des Wandlers konstant ist, wie in Abbildung 2 gezeigt.
Wandler ist nur mit der magnetischen Permeabilität des Eisenkerns verbunden. Daher ist die Bestimmung des Materials des Eisenkerns, das in dem Wandler verwendet wird, von entscheidender Bedeutung. Die Linearität und die Rückstandscharakteristik des Wandlers, die später erwähnt werden, hängen auch eng mit dem Material des Eisenkerns zusammen.
Im Schaltkreis wird im Allgemeinen verlangt, dass der minimale primäre Betriebsstrom des Schalters unter 10A liegt. Daher wird normalerweise gefordert, dass, wenn der primäre Strom des Wandlers unter 10A liegt, das Verhältnis der Änderung des Eingangsstroms zur Änderung der Ausgangsspannung des Wandlers linearer ist, um den Anforderungen gerecht zu werden. Die Linearitätsanforderung des Wandlers bedarf wiederholter Tests.
Unter der Bedingung einer bestimmten magnetischen Permeabilität des Eisenkerns und einer sekundären Last wird die Spannungs-Ausgabe des Wandlers durch die Anpassung der Querschnittsfläche des Eisenkerns oder der Anzahl der Sekundärwindungen linear sichergestellt. Allerdings gibt es in realen Schaltkreisen oft andere Faktoren, die den Wandler davon abhalten, ein genaues Spannungssignal an das Mikrocomputerschutzgerät zu liefern.
Wenn der Wandler installiert wird, muss er auf die nebeneinander in einer Reihe angeordneten Drei-Phasen-Leiter aufgeschoben werden. Wenn der Primärleiter den Nennstrom durchläuft, wird der Reststromwandler gleichzeitig von den Magnetfeldern der Drei-Phasen-Stroms gestört, und die lokale magnetische Flussdichte des Eisenkerns wird zunehmen. Wenn der lokale Teil des Eisenkerns übergesättigt ist, verschlechtert sich die Linearität des Wandlers, was ernsthaft die Größe der sekundären Ausgangsspannung beeinflusst. Das Mikrocomputerschutz könnte fehlfunktionieren oder nicht funktionieren.
Während des tatsächlichen Betriebs, nachdem der Reststromwandler von einem großen Erdfehlerstrom beeinflusst wurde, und nachdem der Schutzvorgang abgeschlossen und die Stromversorgung wiederhergestellt wurde, wenn die technischen Parameter des Wandlers nicht in den Zustand vor dem Stoß zurückkehren, das heißt, es gibt Restmagnetismus im Eisenkern des Wandlers, würde dies ernsthaft die genaue Funktion des Leckageschutzes beim nächsten Mal beeinflussen.
Beim Design dieses Reststromwandlers sollten die folgenden Punkte beachtet werden:
Der Eisenkern sollte am besten aus nanokristalliner Legierung mit hoher magnetischer Permeabilität und geringem Restmagnetismus hergestellt werden. Dieses Material hat gute Überlastcharakteristiken und kann leicht in den ursprünglichen magnetischen Zustand zurückkehren, wenn es von einem Überstromstoß betroffen wird. Die Rückstandsspannung des Wandlers kann durch die Simulation verschiedener Erdfehlerströme auf der primären Seite kontrolliert und detektiert werden, um nicht zu groß zu sein. Allerdings steigt die Rückstandsspannung des Wandlers im Allgemeinen mit der Steigerung des nominellen primären Stroms. Nachdem der Eisenkern die magnetische Sättigung erreicht hat, wird die Rückstandsspannung auf der sekundären Seite des Wandlers stark ansteigen.
Beim Design des Wandlers, um den Einfluss des primären Stroms auf den Rückstandsspannungswert des Reststromwandlers so gering wie möglich zu halten, können Maßnahmen wie die angemessene Erhöhung der Querschnittsfläche des Eisenkerns oder die Reduzierung des inneren Widerstands der Sekundärwicklung gemeinsam ergriffen werden, um die Rückstandsspannung des Reststromwandlers zu reduzieren, wenn nanokristalline Legierung mit hoher magnetischer Permeabilität und geringem Restmagnetismus zum Bau des Eisenkerns gewählt wird.
