Ciri kinerja dan desain struktural dari pemutus sirkuit vakum yang dipasang di tiang luar ruangan
Dari tahun 2009 hingga 2010, State Grid berada dalam fase percobaan perencanaan jaringan pintar, fokus pada pengembangan rencana pengembangan jaringan pintar yang kuat, melakukan penelitian dan pengembangan teknologi kunci, manufaktur peralatan, dan melaksanakan proyek-proyek percobaan di berbagai sektor. Periode dari 2011 hingga 2015 menandai fase pembangunan penuh, di mana sistem kontrol operasional dan layanan interaktif untuk jaringan pintar mulai terbentuk, dan tercapai kemajuan signifikan dalam teknologi kunci dan peralatan, yang mengarah pada aplikasi luas mereka.
Dari 2016 hingga 2020, masuk ke tahap kepemimpinan dan peningkatan, dengan jaringan pintar yang kuat dan terpadu sepenuhnya dibentuk, dan teknologi serta peralatan mencapai tingkat canggih internasional. Pada saat itu, kemampuan jaringan untuk mengoptimalkan alokasi sumber daya akan sangat ditingkatkan. Untuk merespons tujuan pengembangan jaringan pintar nasional, pemutus sirkuit vakum tiang luar ruangan yang dipasang di jaringan utama harus mampu mencapai perlindungan cerdas berbasis mikrokomputer dengan sensitivitas tinggi, yang berarti nilai arus operasional primer minimum yang rendah.
Oleh karena itu, selain setiap dari tiga fase dilengkapi dengan transformator arus terpisah untuk perlindungan diferensial, pemutus sirkuit vakum tiang luar ruangan juga perlu dilengkapi dengan transformator arus residu untuk perlindungan mikrokomputer untuk memberikan perlindungan kebocoran yang tepat bagi mikrokomputer. Transformator arus residu tradisional memiliki ukuran besar, berat, dan akurasi rendah.
Terpengaruh oleh faktor-faktor seperti ruang pemasangan yang terbatas dan sirkuit kabel sekunder yang panjang, mereka sulit memenuhi persyaratan aplikasi perlindungan mikrokomputer untuk pemutus sirkuit vakum tiang luar ruangan. Saat ini, semua pemutus sirkuit luar ruangan yang dapat memenuhi persyaratan jaringan pintar nasional diproduksi oleh perusahaan asing, sehingga biayanya tinggi. Untuk menyesuaikan dengan persyaratan pengembangan jaringan pintar nasional, perlu dikembangkan pemutus sirkuit luar ruangan yang memenuhi kebutuhan jaringan pintar nasional.
Saat ini, tantangan teknis utama yang perlu kita atasi adalah mengembangkan transformator arus residu untuk perlindungan mikrokomputer yang dapat digunakan bersama dengan pemutus sirkuit ini, memenuhi persyaratan pemasangan di ruang kecil, perlindungan kebocoran mikrokomputer dengan sensitivitas tinggi, dan operasi yang akurat, dan pertama kali mencapai lokalisisasi transformator arus residu untuk perlindungan mikrokomputer.
Aplikasi dan Persyaratan Kinerja Transformator Arus Residu untuk Perlindungan Mikrokomputer
Transformator arus residu (transformator arus nol-sekuens) adalah transformator arus khusus yang dirancang untuk mentransformasikan arus residu (arus nol-sekuens). Ini digunakan untuk perlindungan tanah tunggal dalam sistem netral terisolasi. Tiga konduktor fase melewati jendela inti transformator secara bersamaan, berfungsi sebagai gulungan primer transformator.
Ketika sistem beroperasi normal, jumlah vektor arus tiga fase adalah nol, dan tidak ada output dari sisi sekunder transformator arus residu. Ketika terjadi kesalahan tanah tunggal pada suatu jalur, arus primer transformator arus residu mencapai arus operasional minimum relai atau perlindungan mikrokomputer, memicu perangkat perlindungan untuk bertindak.
Jika tidak, ia tetap tidak aktif. Dalam transformator arus residu tradisional, sisi sekunder langsung terhubung ke relai. Karena jumlah putaran gulungan primer transformator biasanya 1, jumlah putaran gulungan sekunder sangat sedikit. Arus operasional primer minimum transformator arus residu tradisional sebagian besar antara 2,4A hingga 10A, dan arus primer nominal transformator arus residu tradisional umumnya dipilih dalam kisaran 15A hingga 300A. Untuk memenuhi persyaratan akurasi, area penampang inti transformator dirancang cukup besar, menghasilkan ukuran besar, berat, akurasi rendah, dan beban sekunder kecil.
Ketika arus kesalahan kurang dari 2,4A, arus yang dihasilkan oleh transformator tradisional tidak cukup untuk mengaktifkan relai, menciptakan "zona mati." Oleh karena itu, agar transformator dapat memberikan perlindungan yang akurat bagi mikrokomputer dalam rentang arus operasional yang luas tanpa zona mati, perlu dirancang transformator arus residu khusus yang dapat digunakan bersama dengan perlindungan mikrokomputer.
Terbatas oleh ruang pemasangan pemutus sirkuit, transformator arus residu khusus yang digunakan dengan perlindungan mikrokomputer tidak hanya perlu berukuran kecil dan ringan, tetapi juga memerlukan output sekunder yang presisi dan beban sekunder yang besar. Secara umum, arus operasional primer transformator diperlukan antara 0,2A hingga 10A. Jika transformator dapat memastikan linieritas dan sensitivitas yang baik di bawah kondisi output beban sekunder yang besar, maka dapat memenuhi persyaratan perlindungan mikrokomputer dan menghindari terjadinya "zona mati."
Desain Struktural Transformator Arus Residu untuk Perlindungan Mikrokomputer
Pemilihan Parameter Beban Nominal Transformator
Pemutus sirkuit vakum tiang luar ruangan umumnya dipasang di luar ruangan dan jauh dari perangkat otomatisasi pendukung. Namun, beban yang diperlukan oleh perlindungan mikrokomputer sendiri sangat rendah. Ketika merancang transformator arus residu, beban nominal utamanya mempertimbangkan beban sirkuit kabel sekunder transformator. Karena perangkat perlindungan mikrokomputer biasanya jauh dari pemutus sirkuit tiang yang dipasang di luar ruangan, beban nominal transformator umumnya dipilih cukup besar, dengan maksimum mencapai sekitar 200Ω (beban ini dapat ditentukan sesuai situasi aktual pengguna).
Pemilihan Jumlah Putaran Gulungan Primer dan Sekunder, Bentuk Inti, dan Bahan
Transformator arus residu untuk perlindungan mikrokomputer memerlukan sensitivitas yang sangat tinggi dan harus merespons cepat dan akurat. Sensitivitas merujuk pada kemampuan gulungan sekunder transformator untuk merespons arus kebocoran, yang dapat dijelaskan sebagai berikut: pada jumlah arus kebocoran tertentu, semakin tinggi gaya elektromotif induksi transformator yang berbeda, semakin tinggi sensitivitasnya.
Sensitivitas terkait dengan jumlah putaran gulungan primer dan sekunder transformator. Semakin banyak putaran gulungan sekunder, semakin tinggi sensitivitasnya. Transformator arus residu dipasang langsung pada tiga konduktor primer, dan kawat primer adalah jalur yang dilindungi, dengan jumlah putaran primer adalah 1. Meningkatkan jumlah putaran primer tidak praktis.
Gaya elektromotif induksi gulungan sekunder, U2=4,44f⋅N2⋅μ⋅I1⋅S, di mana:
I1 mewakili arus primer nominal.
S adalah area penampang inti besi.
muis permeabilitas magnetik.
f adalah frekuensi.
N2 adalah jumlah putaran gulungan sekunder.
Seperti yang terlihat dari rumus, karena batasan posisi pemasangan transformator, dimensi eksternal transformator tidak bisa terlalu besar. Oleh karena itu, area penampang inti transformator relatif kecil. Untuk meningkatkan sensitivitas transformator, perlu untuk meningkatkan jumlah putaran gulungan sekunder atau meningkatkan permeabilitas magnetik inti transformator.
Arus primer nominal pemutus sirkuit luar ruangan pada dasarnya 630A atau kurang. Mengingat area penampang inti transformator yang kecil, untuk memastikan sensitivitas tinggi, melalui eksperimen, jumlah putaran gulungan sekunder umumnya ditetapkan antara 1500 hingga 2000 putaran. Jumlah putaran spesifik dapat ditentukan berdasarkan beban sekunder dan tegangan output sekunder transformator yang diperlukan oleh mikrokomputer.
Setelah area penampang inti, jumlah putaran, dan beban sekunder ditentukan, parameter yang mempengaruhi gaya elektromotif induksi sekunder (yaitu sensitivitas) dari
transformator hanya terkait dengan permeabilitas magnetik inti. Oleh karena itu, menentukan bahan inti yang digunakan dalam transformator sangat penting. Linieritas dan karakteristik residu transformator yang disebutkan kemudian juga sangat terkait dengan bahan inti.
Menganalisis data dalam Tabel 1, kedua paduan nanokristalin dan Metglas memiliki permeabilitas magnetik tertinggi. Namun, Metglas memiliki intensitas induksi saturasi yang relatif rendah dan juga mahal di pasaran. Mempertimbangkan secara komprehensif, kami memilih paduan nanokristalin sebagai bahan. Sensitivitas transformator tidak hanya berbanding lurus dengan permeabilitas magnetik inti, tetapi juga memiliki hubungan langsung dengan bentuk inti dan panjang sirkuit magnetik.Secara umum, selain menggunakan bahan dengan permeabilitas tinggi untuk inti untuk meningkatkan sensitivitas transformator, kami juga mencoba mempersingkat sirkuit magnetik inti sebanyak mungkin untuk mengurangi kebocoran magnetik dan memastikan efisiensi penggunaan inti. Dalam keadaan normal, inti lingkaran memiliki sirkuit magnetik terpendek. Namun, karena tiga konduktor primer pemutus sirkuit tiang luar ruangan disusun berdampingan dalam satu baris, ketika ruang memungkinkan, inti harus dirancang sebagai elips berdasarkan bentuk dan jarak susunan tiga konduktor primer pemutus sirkuit. Bentuk transformator dan hubungan posisinya dengan konduktor primer ditunjukkan pada Gambar 1.
Transformator arus residu harus dapat merespons cepat terhadap keadaan kebocoran abnormal dalam sirkuit dan memberikan sinyal tegangan yang dapat ditindaklanjuti ke perangkat perlindungan mikrokomputer. Transformator harus memiliki linieritas yang baik untuk benar-benar mencerminkan status operasional sirkuit. Linieritas merujuk pada rasio perubahan arus input terhadap perubahan tegangan output transformator yang konstan, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.
transformator hanya terkait dengan permeabilitas magnetik inti. Oleh karena itu, menentukan bahan inti yang digunakan dalam transformator sangat penting. Linieritas dan karakteristik residu transformator yang disebutkan kemudian juga sangat terkait dengan bahan inti.
Dalam sirkuit, arus operasional primer minimum pemutus sirkuit umumnya diperlukan di bawah 10A. Oleh karena itu, umumnya diperlukan bahwa ketika arus primer transformator di bawah 10A, semakin baik rasio perubahan arus input terhadap perubahan tegangan output transformator yang linier, semakin memenuhi persyaratan penggunaan. Persyaratan linieritas transformator perlu uji coba berulang.
Dalam kondisi permeabilitas magnetik inti dan beban sekunder tertentu, tegangan output transformator dijamin berubah secara linier dengan menyesuaikan area penampang inti atau jumlah putaran sekunder. Namun, dalam sirkuit sebenarnya, sering ada faktor-faktor lain yang mempengaruhi transformator untuk memberikan sinyal tegangan yang akurat ke perangkat perlindungan mikrokomputer.
Ketika transformator dipasang, perlu diselipkan pada tiga konduktor yang disusun berdampingan dalam satu baris. Ketika konduktor primer melewati arus nominal, transformator arus residu akan terganggu oleh medan magnet yang dihasilkan oleh arus tiga fase secara bersamaan, dan densitas fluks magnetik lokal inti akan meningkat. Jika bagian lokal inti oversaturasi, linieritas transformator akan memburuk, sangat mempengaruhi magnitudo tegangan output sekunder. Akibatnya, perlindungan mikrokomputer mungkin salah operasi atau tidak beroperasi.
Selama operasi sebenarnya, setelah transformator arus residu terkena arus tanah skala besar, dan setelah tindakan perlindungan selesai dan pasokan listrik dipulihkan untuk operasi berkelanjutan, jika parameter teknis transformator tidak dapat kembali ke keadaan sebelum dampak, yaitu ada magnetisme residu di inti transformator, hal ini akan sangat mempengaruhi tindakan yang akurat dari pelindung kebocoran selanjutnya.
Ketika merancang transformator arus residu ini, perhatikan poin-poin berikut:
Inti sebaiknya dibuat dari paduan nanokristalin dengan permeabilitas magnetik tinggi dan magnetisme residu rendah. Bahan ini memiliki karakteristik overload yang baik dan dapat dengan mudah kembali ke keadaan magnet awal di bawah dampak over-current. Tegangan residu transformator dapat dikontrol dan dideteksi tidak terlalu besar dengan mensimulasikan aliran berbagai arus tanah pada sisi primer. Namun, tegangan residu transformator umumnya meningkat seiring dengan peningkatan arus primer nominal. Tetapi setelah inti mencapai saturasi magnetik, tegangan residu di sisi sekunder transformator akan meningkat tajam.
Ketika merancang transformator, untuk meminimalkan pengaruh arus primer terhadap nilai tegangan residu transformator arus residu, ketika memilih paduan nanokristalin dengan permeabilitas magnetik tinggi dan magnetisme residu rendah untuk membuat inti, langkah-langkah seperti menambahkan area penampang inti atau mengurangi hambatan internal gulungan sekunder dapat diambil bersama-sama untuk mengurangi tegangan residu transformator arus residu.
