Características de rendimiento y diseño estructural de interruptores de vacío montados en poste para exteriores
Desde 2009 hasta 2010, la Red Estatal se encontraba en la fase piloto de planificación de la red inteligente, centrándose en el desarrollo del plan fuerte de red inteligente, realizando investigación y desarrollo de tecnologías clave, fabricación de equipos y llevando a cabo proyectos piloto en varios sectores. El período de 2011 a 2015 marcó la fase de construcción a gran escala, durante la cual se formó inicialmente un sistema de control operativo e interactivo de servicios para la red inteligente, y se lograron avances significativos en tecnologías y equipos clave, lo que llevó a su aplicación extensiva.
De 2016 a 2020, entró en la etapa de liderazgo y actualización, con una red inteligente unificada y fuerte completamente establecida, y las tecnologías y equipos alcanzando niveles avanzados internacionales. Para entonces, la capacidad de la red para optimizar la asignación de recursos mejorará enormemente. Para responder a los objetivos de desarrollo de la red inteligente nacional, se requiere que los interruptores de circuito de vacío montados en postes al aire libre instalados en las redes principales logren protección inteligente basada en microcomputadoras con alta sensibilidad, lo que significa un valor mínimo de corriente de operación primaria bajo.
Por lo tanto, además de que cada una de las tres fases esté equipada con un transformador de corriente separado para la protección diferencial, los interruptores de circuito de vacío montados en postes al aire libre también necesitan estar equipados con transformadores de corriente residual para la protección de microcomputadoras para proporcionar protección contra fugas precisa para la microcomputadora. Los transformadores de corriente residual tradicionales son grandes en tamaño, pesados y de baja precisión.
Afectados por factores como el espacio de instalación limitado y los circuitos de derivación secundaria largos, difícilmente pueden cumplir con los requisitos de aplicación de la protección de microcomputadoras para los interruptores de circuito de vacío montados en postes al aire libre. Actualmente, todos los interruptores de circuito al aire libre que pueden cumplir con los requisitos de la red inteligente nacional son producidos por empresas con capital extranjero, lo que resulta en altos costos. Para adaptarse a los requisitos de desarrollo de la red inteligente nacional, es necesario desarrollar interruptores de circuito al aire libre que cumplan con las necesidades de la red inteligente nacional.
Actualmente, el principal desafío técnico que necesitamos abordar es desarrollar transformadores de corriente residual para la protección de microcomputadoras que puedan usarse en conjunto con estos interruptores, cumpliendo con los requisitos de instalación en espacios pequeños, protección contra fugas de alta sensibilidad para microcomputadoras y operación precisa, y primero lograr la localización de los transformadores de corriente residual para la protección de microcomputadoras.
Aplicaciones y Requisitos de Rendimiento de los Transformadores de Corriente Residual para Protección de Microcomputadoras
El transformador de corriente residual (transformador de corriente de secuencia cero) es un transformador de corriente especializado diseñado para transformar la corriente residual (corriente de secuencia cero). Se utiliza para la protección de aterramiento monofásico en sistemas con neutro aislado. Los conductores trifásicos pasan simultáneamente por la ventana del núcleo del transformador, sirviendo como el devanado primario del transformador.
Cuando el sistema opera normalmente, la suma fasorial de las corrientes trifásicas es cero, y no hay salida del lado secundario del transformador de corriente residual. Cuando ocurre un fallo de aterramiento monofásico en cierta línea, la corriente primaria del transformador de corriente residual alcanza la corriente de operación mínima del relé o la protección de microcomputadora, activando el dispositivo de protección.
De lo contrario, permanece inactivo. En los transformadores de corriente residual tradicionales, el lado secundario está conectado directamente a un relé. Dado que el número de vueltas del devanado primario del transformador suele ser 1, el número de vueltas del devanado secundario es muy pequeño. La corriente de operación primaria mínima de los transformadores de corriente residual tradicionales suele estar entre 2.4A y 10A, y la corriente primaria nominal de los transformadores de corriente residual tradicionales generalmente se selecciona en el rango de 15A a 300A. Para cumplir con los requisitos de precisión, la sección transversal del núcleo del transformador se diseña relativamente grande, lo que resulta en un tamaño grande, peso elevado, baja precisión y carga secundaria pequeña.
Cuando la corriente de fallo es menor a 2.4A, la corriente de salida del transformador tradicional es insuficiente para activar el relé, creando una "zona muerta". Por lo tanto, para permitir que el transformador proporcione protección precisa para la microcomputadora en un amplio rango de corrientes de operación sin zona muerta, es necesario diseñar un transformador de corriente residual especial que pueda usarse en conjunto con la protección de microcomputadoras.
Limitado por el espacio de instalación del interruptor, el transformador de corriente residual especial utilizado con la protección de microcomputadoras no solo necesita ser pequeño en tamaño y ligero, sino que también requiere una salida secundaria de alta precisión y una carga secundaria grande. Generalmente, se requiere que la corriente de operación primaria del transformador esté entre 0.2A y 10A. Si el transformador puede garantizar una buena linealidad y sensibilidad bajo la condición de una salida de carga secundaria grande, puede cumplir con los requisitos de la protección de microcomputadoras y evitar la ocurrencia de una "zona muerta."
Diseño Estructural de los Transformadores de Corriente Residual para Protección de Microcomputadoras
Selección de Parámetros de Carga Nominal del Transformador
Los interruptores de circuito de vacío montados en postes al aire libre generalmente se instalan al aire libre y están lejos de los dispositivos de automatización de soporte. Sin embargo, la carga requerida por la protección de microcomputadoras en sí misma es muy baja. Al diseñar el transformador de corriente residual, la carga nominal principalmente considera la carga del circuito de derivación secundaria del transformador. Dado que el dispositivo de protección de microcomputadoras suele estar lejos del interruptor de circuito montado en poste instalado al aire libre, la carga nominal del transformador generalmente se selecciona relativamente grande, con un máximo de alrededor de 200Ω (esta carga puede determinarse según la situación real del usuario).
Selección del Número de Vueltas del Devanado Primario y Secundario, Forma y Material del Núcleo
Los transformadores de corriente residual para la protección de microcomputadoras requieren una sensibilidad extremadamente alta y deben responder de manera rápida y precisa. La sensibilidad se refiere a la capacidad del devanado secundario del transformador para responder a la corriente de fuga, lo que se puede describir de la siguiente manera: bajo una cantidad determinada de corriente de fuga, cuanto mayor sea la fuerza electromotriz inducida de diferentes transformadores, mayor será su sensibilidad.
La sensibilidad está relacionada con el número de vueltas del devanado primario y secundario del transformador. Cuantas más vueltas tenga el devanado secundario, mayor será la sensibilidad. El transformador de corriente residual se instala directamente en los conductores primarios trifásicos, y el cable primario es la línea protegida, con el número de vueltas primarias siendo 1. Aumentar el número de vueltas primarias no es práctico.
La fuerza electromotriz inducida del devanado secundario, U2=4.44f⋅N2⋅μ⋅I1⋅S, donde:
I1representa la corriente primaria nominal.
S es el área transversal del núcleo de hierro.
muis la permeabilidad magnética.
f es la frecuencia.
N2 es el número de vueltas del devanado secundario.
Como se puede ver de la fórmula, debido a las limitaciones de la posición de instalación del transformador, las dimensiones externas del transformador no pueden ser muy grandes. Por lo tanto, el área transversal del núcleo de hierro del transformador es relativamente pequeña. Para aumentar la sensibilidad del transformador, es necesario ya sea aumentar el número de vueltas del devanado secundario o mejorar la permeabilidad magnética del núcleo de hierro del transformador.
La corriente primaria nominal de los interruptores de circuito al aire libre es básicamente de 630A o menos. Dado el área transversal pequeña del núcleo de hierro del transformador, para garantizar una alta sensibilidad, a través de experimentos, el número de vueltas del devanado secundario generalmente se establece inicialmente entre 1500 y 2000 vueltas. El número específico de vueltas puede determinarse según la carga secundaria y el voltaje de salida secundario del transformador requerido por la microcomputadora.
Una vez que se determina el área transversal del núcleo, el número de vueltas y la carga secundaria, el parámetro que afecta la fuerza electromotriz inducida secundaria (es decir, la sensibilidad) del
transformador está solo relacionado con la permeabilidad magnética del núcleo de hierro. Por lo tanto, determinar el material del núcleo de hierro utilizado en el transformador es de crucial importancia. La linealidad y las características residuales del transformador mencionadas posteriormente también están estrechamente relacionadas con el material del núcleo de hierro.
Analizando los datos en la Tabla 1, tanto el aleación nanocristalina como Metglas tienen la permeabilidad magnética más alta. Sin embargo, Metglas tiene una intensidad de saturación de inducción relativamente baja y también es caro en el mercado. Considerando en conjunto, preferimos seleccionar la aleación nanocristalina como material.La sensibilidad del transformador no solo es directamente proporcional a la permeabilidad magnética del núcleo de hierro, sino que también tiene una relación directa con la forma del núcleo de hierro y la longitud del circuito magnético.
Generalmente, aparte de usar materiales de alta permeabilidad para el núcleo de hierro para aumentar la sensibilidad del transformador, también intentamos acortar el circuito magnético del núcleo de hierro tanto como sea posible para reducir la fuga magnética y asegurar la tasa de utilización del núcleo de hierro. En circunstancias normales, un núcleo de hierro circular tiene el circuito magnético más corto. Sin embargo, dado que los conductores primarios trifásicos del interruptor de circuito montado en poste al aire libre están dispuestos en línea, cuando el espacio lo permite, el núcleo de hierro debe diseñarse como una elipse basada en la forma y el espacio de disposición de los conductores primarios trifásicos del interruptor. La forma del transformador y su relación posicional con el conductor primario se muestran en la Figura 1.
El transformador de corriente residual debe poder responder rápidamente a estados anormales de fuga en el circuito y proporcionar una señal de voltaje accionable al dispositivo de protección de microcomputadoras. El transformador debe tener una buena linealidad para reflejar fielmente el estado operativo del circuito. La linealidad se refiere a que la relación entre el cambio en la corriente de entrada y el cambio en el voltaje de salida del transformador es constante, como se muestra en la Figura 2.
La sensibilidad del transformador está solo relacionada con la permeabilidad magnética del núcleo de hierro. Por lo tanto, determinar el material del núcleo de hierro utilizado en el transformador es de crucial importancia. La linealidad y las características residuales del transformador mencionadas posteriormente también están estrechamente relacionadas con el material del núcleo de hierro.
En el circuito, la corriente de operación primaria mínima del interruptor de circuito generalmente se requiere que sea inferior a 10A. Por lo tanto, generalmente se requiere que cuando la corriente primaria del transformador es inferior a 10A, cuánto mejor sea la relación entre el cambio en la corriente de entrada y el cambio en el voltaje de salida del transformador lineal, más podrá cumplir con los requisitos de uso. El requisito de linealidad del transformador necesita pruebas repetidas.
Bajo la condición de una cierta permeabilidad magnética del núcleo de hierro y carga secundaria, se asegura que la salida de voltaje del transformador cambie de manera lineal ajustando el área transversal del núcleo de hierro o el número de vueltas secundarias. Sin embargo, en los circuitos reales, a menudo hay otros factores que afectan la capacidad del transformador para proporcionar una señal de voltaje precisa al dispositivo de protección de microcomputadoras.
Cuando se instala el transformador, necesita colocarse sobre los conductores trifásicos dispuestos en línea. Cuando el conductor primario pasa la corriente nominal, el transformador de corriente residual será interferido por los campos magnéticos generados por las corrientes trifásicas simultáneamente, y la densidad de flujo magnético local del núcleo de hierro aumentará. Si la parte local del núcleo de hierro está sobresaturada, la linealidad del transformador empeorará, afectando seriamente la magnitud del voltaje de salida secundario. Como resultado, la protección de microcomputadoras puede fallar o no operar.
Durante la operación real, después de que el transformador de corriente residual es impactado por una corriente de fallo de tierra a gran escala, y después de que la acción de protección se completa y se restablece la alimentación para continuar la operación, si los parámetros técnicos del transformador no pueden volver al estado antes del impacto, es decir, hay magnetismo residual en el núcleo de hierro del transformador, esto afectará seriamente la acción precisa del protector de fugas la próxima vez.
Al diseñar este transformador de corriente residual, se deben tener en cuenta los siguientes puntos:
El núcleo de hierro debe preferiblemente estar hecho de aleación nanocristalina con alta permeabilidad magnética y bajo magnetismo residual. Este material tiene buenas características de sobrecarga y puede regresar fácilmente al estado magnético inicial bajo impacto de corriente excesiva. El voltaje residual del transformador puede controlarse y detectarse para que no sea demasiado grande simulando el paso de diversas corrientes de fallo a tierra en el lado primario. Sin embargo, el voltaje residual del transformador generalmente aumenta con el aumento de la corriente primaria nominal. Pero después de que el núcleo de hierro alcanza la saturación magnética, el voltaje residual en el lado secundario del transformador aumentará bruscamente.
Al diseñar el transformador, para minimizar la influencia de la corriente primaria en el valor de voltaje residual del transformador de corriente residual, al elegir la aleación nanocristalina con alta permeabilidad magnética y bajo magnetismo residual para hacer el núcleo de hierro, se pueden tomar medidas como aumentar apropiadamente la sección transversal del núcleo de hierro o reducir la resistencia interna del devanado secundario para reducir el voltaje residual del transformador de corriente residual.
