Performansne karakteristike i strukturni dizajn vanjskih stupnih vakuumskih prekidača
Od 2009. do 2010. Državna mreža bila je u fazi pilota planiranja pametne mreže, fokusirajući se na razvoj plana za jačanje pametne mreže, provedbu istraživanja i razvoja ključnih tehnologija, proizvodnju opreme i sprovedbu pilot projekata u različitim sektorima. Period od 2011. do 2015. označio je fazu kompletnog izgradnje, tijekom koje je inicijalno formiran sustav operativnog upravljanja i interaktivne usluge za pametnu mrežu, postignuti su značajni napredak u ključnim tehnologijama i opremi, što je dovelo do njihove šire primjene.
Od 2016. do 2020. ulazak u fazu vodstva i nadogradnje, sa unificiranom i jakom pametnom mrežom potpuno izgrađenom, te tehnologije i oprema dostigle su međunarodno napredne razine. Do tada će sposobnost mreže da optimizira raspodjelu resursa biti značajno poboljšana. Da bi se odgovorilo na ciljeve nacionalne pametne mreže, vanjski stupni montirani vakuumski prekidači instalirani na glavnim električnim mrežama trebaju postići mikročip-baziranu inteligentnu zaštitu s visokom osjetljivošću, što znači nisku minimalnu vrijednost primarne radne struje.
Stoga, pored toga što svaka od tri faze ima poseban transformator struje za diferencijalnu zaštitu, vanjski stupni montirani vakuumski prekidači također trebaju biti opremljeni transformatorima ostatak struje za mikročip-zaštitu kako bi pružili preciznu zaštitu od curenja za mikročip. Tradicionalni transformatori ostatak struje su veliki, teški i niskog preciznosti.
Utjeceni faktorima poput ograničenog prostora za montažu i dugih sekundarnih vodiča, oni teško mogu ispuniti zahtjeve mikročip-zaštite za vanjske stupne montirane vakuumskie prekidače. Trenutno, svi vanjski prekidači koji mogu ispuniti zahtjeve nacionalne pametne mreže proizvedeni su stranim poduzećima, što rezultira visokim troškovima. Da bi se prilagodilo zahtjevima razvoja nacionalne pametne mreže, potrebno je razviti vanjske prekidače koji ispunjavaju potrebe nacionalne pametne mreže.
Trenutno, glavni tehnički izazov koji moramo riješiti jest razvoj transformatora ostatak struje za mikročip-zaštitu koji se može koristiti uz ove prekidače, ispunjavajući zahtjeve za instalacijom u malim prostorima, visokoosjetljivom mikročip-zaštitom od curenja i preciznom radnjom, te prvo postići lokalizaciju transformatora ostatak struje za mikročip-zaštitu.
Primjena i zahtjevi za performansama transformatora ostatak struje za mikročip-zaštitu
Transformator ostatak struje (transformator nultog reda struje) je specijalizirani transformator struje dizajniran za transformaciju ostatak struje (nultog reda struje). Koristi se za jednofaznu zaštitu od zemljanja u neutralno izoliranim sustavima. Tri-fazni vodiči istodobno prolaze kroz okvir jezgre transformatora, služeći kao primarna namotnica transformatora.
Kada sustav normalno radi, vektorska suma tri-faznih struja je nula, i nema izlaza s sekundarne strane transformatora ostatak struje. Kada se dogodi jednofazno zemljanje na određenoj liniji, primarna struja transformatora ostatak struje doseže minimalnu radnu struju releja ili mikročip-zaštite, što aktivira uređaj za zaštitu.
Inače, ostaje neaktivna. U tradicionalnim transformatorima ostatak struje, sekundarna strana direktno povezana je s relejem. Broj zavojnica u primarnoj namotnici transformatora obično je 1, pa je broj zavojnica u sekundarnoj namotnici vrlo mali. Minimalna primarna radna struja tradicionalnih transformatora ostatak struje najčešće je između 2,4A i 10A, a nominalna primarna struja tradicionalnih transformatora ostatak struje obično se odabire u rasponu od 15A do 300A. Da bi se ispunili zahtjevi za preciznošću, presjek jezgre transformatora dizajniran je da bude relativno velik, što rezultira velikim dimenzijama, težinom, niskom preciznošću i malim sekundarnim opterećenjem.
Kada je struja greške manja od 2,4A, struja koju daje tradicionalni transformator nije dovoljna da aktivira relej, stvarajući "mrtvu zonu." Stoga, kako bi se omogućilo da transformator pruži preciznu zaštitu za mikročip u širokom rasponu radnih struja bez "mrtve zone," potrebno je dizajnirati posebni transformator ostatak struje koji se može koristiti uz mikročip-zaštitu.
Ograničen prostor za montažu prekidača, posebni transformator ostatak struje koji se koristi uz mikročip-zaštitu, ne samo da treba biti malih dimenzija i lagani, već također zahtijeva visoku preciznost sekundarnog izlaza i veliko sekundarno opterećenje. Općenito, primarna radna struja transformatora treba biti između 0,2A i 10A. Ako transformator može osigurati dobru linearnost i osjetljivost uz veliko sekundarno opterećenje, može ispuniti zahtjeve mikročip-zaštite i izbjegnuti pojavu "mrtve zone."
Konstrukcijski dizajn transformatora ostatak struje za mikročip-zaštitu
Izbor nominalnih parametara opterećenja transformatora
Vanjski stupni montirani vakuumski prekidači obično su instalirani na otvorenom i udaljeni su od podržavajućih automatskih uređaja. Međutim, opterećenje potrebno za mikročip-zaštitu samim po sebi je vrlo nisko. Pri dizajnu transformatora ostatak struje, nominalno opterećenje uglavnom uzima u obzir opterećenje sekundarnog vodiča transformatora. Budući da je mikročip-zaštitni uređaj obično udaljen od stupnog prekidača instaliranog na otvorenom, nominalno opterećenje transformatora obično se odabire da bude relativno veliko, s maksimalnim do oko 200Ω (ovo opterećenje se može odrediti prema stvarnoj situaciji korisnika).
Izbor broja zavojnica primarne i sekundarne namotnice, oblika i materijala jezgre
Transformatori ostatak struje za mikročip-zaštitu zahtijevaju izuzetno visoku osjetljivost i moraju brzo i precizno reagirati. Osjetljivost se odnosi na sposobnost sekundarne namotnice transformatora da reagira na struju curenja, što se može opisati ovako: pod određenom količinom struje curenja, što je veća inducirana elektromotorna sila različitih transformatora, veća je njihova osjetljivost.
Osjetljivost je povezana s brojem zavojnica primarne i sekundarne namotnice transformatora. Što je više zavojnica u sekundarnoj namotnici, veća je osjetljivost. Transformator ostatak struje direktno je instaliran na tri-fazne primarne vodiče, a primarni vodič je zaštićena linija, s brojem primarnih zavojnica 1. Povećanje broja primarnih zavojnica nije praktično.
Inducirana elektromotorna sila sekundarne namotnice, U2=4,44f⋅N2⋅μ⋅I1⋅S, gdje:
I1 predstavlja nominalnu primarnu struju.
S je presjek površine željeznog jezgra.
μ je magnetna provodljivost.
f je frekvencija.
N2 je broj zavojnica sekundarne namotnice.
Kao što se može vidjeti iz formule, zbog ograničenja položaja instalacije transformatora, vanjske dimenzije transformatora ne mogu biti vrlo velike. Stoga, presjek površine željeznog jezgra transformatora relativno je mali. Da bi se povećala osjetljivost transformatora, potrebno je ili povećati broj zavojnica sekundarne namotnice ili poboljšati magnetnu provodljivost željeznog jezgra transformatora.
Nominalna primarna struja vanjskih prekidača gotovo uvijek je 630A ili manja. Zbog malog presjeka površine željeznog jezgra transformatora, kako bi se osigurala visoka osjetljivost, eksperimenti pokazuju da se broj zavojnica sekundarne namotnice obično inicijalno postavlja između 1500 i 2000 zavojnica. Konkretni broj zavojnica može se odrediti prema sekundarnom opterećenju i sekundarnom izlaznom naprezanju transformatora potrebnom za mikročip.
Kada su određeni presjek površine željeznog jezgra, broj zavojnica i sekundarno opterećenje, parametar koji utječe na induciranu elektromotornu silu (tj. osjetljivost) transformatora je samo povezan s magnetnom provodljivošću željeznog jezgra. Stoga, određivanje materijala željeznog jezgra korištenog u transformatoru je od ključne važnosti. Linearnost i rezidualne karakteristike transformatora, kasnije spomenute, također su tesno povezane s materijalom željeznog jezgra.
Analizirajući podatke u Tablici 1, nanokristalni legura i Metglas imaju najveću magnetnu provodljivost. Međutim, Metglas ima relativno nisku nasycenu indukciju i je također skup na tržištu. Uzimajući sve u obzir, preferiramo nanokristalni legura kao materijal. Osjetljivost transformatora proporcionalna je ne samo magnetnoj provodljivosti željeznog jezgra, već ima i direktnu vezu s oblikom željeznog jezgra i duljinom magnetskog kruga.
Općenito, osim korištenja materijala s visokom magnetnom provodljivošću za željezno jezgro kako bi se povećala osjetljivost transformatora, pokušavamo i što kraće skratiti magnetski krug željeznog jezgra kako bi se smanjila magnetska curenja i osigurala iskorištavanje željeznog jezgra. U normalnim uvjetima, kružno željezno jezgro ima najkraći magnetski krug. Međutim, budući da su tri-fazni primarni vodiči vanjskog stupnog montiranog prekidača smješteni jedan do drugog u liniju, kada prostor dopušta, željezno jezgro treba dizajnirati kao elipsa temeljeno na obliku i razmaku tri-faznih primarnih vodiča prekidača. Oblik transformatora i njegov prostorni odnos s primarnim vodičem prikazani su na Slici 1.
Transformator ostatak struje treba brzo reagirati na anormalne stanje curenja u krugu i pružiti djelotvoran naponski signal mikročip-zaštitnom uređaju. Transformator mora imati dobru linearnost kako bi stvarno odražavao radni status kruga. Linearnost se odnosi na omjer promjene ulazne struje i promjene izlaznog napona transformatora koji je konstantan, kao što je prikazano na Slici 2.
transformatora je samo povezan s magnetnom provodljivošću željeznog jezgra. Stoga, određivanje materijala željeznog jezgra korištenog u transformatoru je od ključne važnosti. Linearnost i rezidualne karakteristike transformatora, kasnije spomenute, također su tesno povezane s materijalom željeznog jezgra.
U krugu, minimalna primarna radna struja prekidača općenito se zahtijeva da bude ispod 10A. Stoga, općenito se zahtijeva da kada je primarna struja transformatora ispod 10A, bolji omjer promjene ulazne struje i promjene izlaznog napona transformatora linearan, to više ispunjava zahtjeve za korištenjem. Zahtjev za linearnošću transformatora treba testirati ponovljeno.
Pod uvjetom određene magnetne provodljivosti željeznog jezgra i sekundarnog opterećenja, linearno promjene napona izlaza transformatora osiguravaju se prilagođavanjem presjeka površine željeznog jezgra ili broja sekundarnih zavojnica. Međutim, u stvarnim krugovima, često postoje i drugi faktori koji utječu na to da transformator ne pruža precizan naponski signal mikročip-zaštitnom uređaju.
Kada se transformator instalira, potrebno ga je staviti na tri-fazne vodiče smještenje jedan do drugog u liniju. Kada primarni vodič prođe nominalnu struju, transformator ostatak struje bit će perturbiran magnetskim poljima generiranim tri-faznim strujama, a lokalna gustoća magnetskog toka željeznog jezgra će porasti. Ako se lokalni dio željeznog jezgra pretjerano nasytiti, linearnost transformatora će se pogoršati, teško utječeći na magnitudu sekundarnog izlaznog napona. Rezultat će biti da mikročip-zaštita može nepravilno funkcionirati ili ne funkcionirati uopće.
Tokom stvarne operacije, nakon što transformator ostatak struje bude izložen velikoj struji zemljanja, i nakon što se završi akcija zaštite i nastavi snabdijevanje strujom, ako tehnički parametri transformatora ne mogu vratiti stanje prije udara, tj. ako postoji rezidualni magnetizam u željeznog jezgra transformatora, to će teško utjecati na točnu akciju zaštite od curenja sljedeći put.
Pri dizajnu ovog transformatora ostatak struje, treba obratiti pozornost na sljedeće točke:
Željezno jezgro najbolje je izraditi od nanokristalnog legura s visokom magnetnom provodljivošću i niskim rezidualnim magnetizmom. Ovaj materijal ima dobre karakteristike preopterećenja i lako može vratiti na početno magnetsko stanje pod preopterećenjem struje. Rezidualni napon transformatora može se kontrolirati i detektirati da ne bude preveliki simuliranjem prolaženja različitih struja zemljanja na primarnoj strani. Međutim, rezidualni napon transformatora obično raste s porastom nominalne primarne struje. No, nakon što željezno jezgro doseže magnetsko nasycenje, rezidualni napon na sekundarnoj strani transformatora drastično će porasti.
Pri dizajnu transformatora, kako bi se smanjio utjecaj primarne struje na vrijednost rezidualnog napona transformatora ostatak struje, kada se biraju nanokristalni leguri s visokom magnetnom provodljivošću i niskim rezidualnim magnetizmom za izradu željeznog jezgra, zajednički se mogu poduzeti mjere poput povećanja presjeka površine željeznog jezgra ili smanjenja internog otpora sekundarne namotnice kako bi se smanjio rezidualni napon transformatora ostatak struje.
