Caratteristiche di prestazione e progettazione strutturale degli interruttori a vuoto montati su palo all'aperto
Dal 2009 al 2010, la rete statale era nella fase pilota della pianificazione della smart grid, concentrandosi sullo sviluppo del piano di sviluppo della forte smart grid, conducendo la ricerca e lo sviluppo di tecnologie chiave, produzione di attrezzature e svolgimento di progetti pilota in vari settori. Il periodo dal 2011 al 2015 ha segnato la fase di costruzione su larga scala, durante la quale è stato inizialmente formato un sistema di controllo operativo e servizio interattivo per la smart grid, e sono stati raggiunti significativi progressi nelle tecnologie chiave e nell'equipaggiamento, portando alla loro ampia applicazione.
Dal 2016 al 2020, si è entrati nella fase di leadership e aggiornamento, con una smart grid unificata e forte pienamente stabilita, e le tecnologie e l'equipaggiamento raggiungono livelli avanzati internazionali. A quel punto, la capacità della rete di ottimizzare l'allocazione delle risorse sarà notevolmente migliorata. Per rispondere agli obiettivi di sviluppo della smart grid nazionale, gli interruttori a vuoto montati su pali esterni installati sulle principali reti elettriche devono raggiungere la protezione intelligente basata su microcomputer con alta sensibilità, il che significa un valore minimo di corrente operativa primaria molto basso.
Pertanto, oltre ad essere dotati di un trasformatore di corrente separato per ogni uno dei tre fasi per la protezione differenziale, gli interruttori a vuoto montati su pali esterni devono anche essere dotati di trasformatori di corrente residua per la protezione a microcomputer per fornire una precisa protezione contro le fughe al microcomputer. I tradizionali trasformatori di corrente residua sono grandi, pesanti e poco precisi.
Influenzati da fattori come lo spazio di installazione limitato e i circuiti secondari a lungo conduttore, non riescono a soddisfare i requisiti di applicazione della protezione a microcomputer per gli interruttori a vuoto montati su pali esterni. Attualmente, tutti gli interruttori esterni che possono soddisfare i requisiti della smart grid nazionale sono prodotti da aziende a capitale straniero, causando costi elevati. Per adattarsi ai requisiti di sviluppo della smart grid nazionale, è necessario sviluppare interruttori esterni che soddisfino le esigenze della smart grid nazionale.
Attualmente, la sfida tecnica principale che dobbiamo affrontare è sviluppare trasformatori di corrente residua per la protezione a microcomputer che possano essere utilizzati in combinazione con questi interruttori, soddisfacendo i requisiti di installazione in spazi ristretti, protezione a microcomputer ad alta sensibilità e funzionamento accurato, e realizzare per primi la localizzazione dei trasformatori di corrente residua per la protezione a microcomputer.
Applicazioni e Requisiti di Prestazione dei Trasformatori di Corrente Residua per la Protezione a Microcomputer
Il trasformatore di corrente residua (trasformatore di corrente zero-sequenza) è un trasformatore di corrente specializzato progettato per trasformare la corrente residua (corrente zero-sequenza). Viene utilizzato per la protezione di terra singola nei sistemi isolati neutrali. I tre conduttori trifase passano contemporaneamente attraverso la finestra del nucleo del trasformatore, agendo come l'avvolgimento primario del trasformatore.
Quando il sistema opera normalmente, la somma vettoriale delle correnti trifase è zero e non c'è output dal lato secondario del trasformatore di corrente residua. Quando si verifica un guasto di terra singola in una certa linea, la corrente primaria del trasformatore di corrente residua raggiunge la corrente operativa minima del relè o della protezione a microcomputer, attivando il dispositivo di protezione.
Altrimenti, rimane inattivo. Nei tradizionali trasformatori di corrente residua, il lato secondario è collegato direttamente a un relè. Poiché il numero di spire dell'avvolgimento primario del trasformatore è solitamente 1, il numero di spire dell'avvolgimento secondario è molto piccolo. La corrente operativa primaria minima dei tradizionali trasformatori di corrente residua si trova generalmente tra 2,4A e 10A, mentre la corrente primaria nominale dei tradizionali trasformatori di corrente residua è solitamente scelta nell'intervallo di 15A a 300A. Per soddisfare i requisiti di precisione, l'area sezione del nucleo del trasformatore viene progettata relativamente grande, risultando in dimensioni ampie, peso elevato, bassa precisione e carico secondario ridotto.
Quando la corrente di guasto è inferiore a 2,4A, la corrente emessa dal trasformatore tradizionale non è sufficiente per attivare il relè, creando una "zona morta". Pertanto, per consentire al trasformatore di fornire una protezione accurata al microcomputer in un ampio intervallo di correnti operative senza zone morte, è necessario progettare un trasformatore di corrente residua speciale che possa essere utilizzato in combinazione con la protezione a microcomputer.
Limitato dallo spazio di installazione dell'interruttore, il trasformatore di corrente residua speciale utilizzato con la protezione a microcomputer deve non solo essere piccolo e leggero, ma richiede anche un'uscita secondaria ad alta precisione e un carico secondario elevato. Generalmente, la corrente operativa primaria del trasformatore è richiesta tra 0,2A e 10A. Se il trasformatore può garantire una buona linearità e sensibilità con un'uscita di carico secondario elevato, può soddisfare i requisiti di protezione a microcomputer e evitare la formazione di una "zona morta."
Progettazione Strutturale dei Trasformatori di Corrente Residua per la Protezione a Microcomputer
Selezione dei Parametri di Carico Nominale del Trasformatore
Gli interruttori a vuoto montati su pali esterni sono generalmente installati all'esterno e sono lontani dai dispositivi di automazione di supporto. Tuttavia, il carico richiesto dalla protezione a microcomputer stesso è molto basso. Nella progettazione del trasformatore di corrente residua, il carico nominale considera principalmente il carico del circuito secondario del trasformatore. Poiché il dispositivo di protezione a microcomputer è solitamente lontano dall'interruttore montato su pali installato all'esterno, il carico nominale del trasformatore è generalmente selezionato piuttosto elevato, con il massimo che raggiunge circa 200Ω (questo carico può essere determinato in base alla situazione effettiva dell'utente).
Selezione del Numero di Spire degli Avvolgimenti Primario e Secondario, Forma e Materiale del Nucleo
I trasformatori di corrente residua per la protezione a microcomputer richiedono una sensibilità estremamente elevata e devono rispondere prontamente e con precisione. La sensibilità si riferisce alla capacità dell'avvolgimento secondario del trasformatore di rispondere alla corrente di fuga, che può essere descritta come segue: sotto una certa quantità di corrente di fuga, maggiore è l'induzione elettromotrice indotta da diversi trasformatori, maggiore è la loro sensibilità.
La sensibilità è correlata al numero di spire degli avvolgimenti primario e secondario del trasformatore. Più spire ha l'avvolgimento secondario, maggiore è la sensibilità. Il trasformatore di corrente residua è installato direttamente sui tre conduttori primari trifase, e il filo primario è la linea protetta, con il numero di spire primarie pari a 1. Aumentare il numero di spire primarie non è pratico.
L'induzione elettromotrice dell'avvolgimento secondario, U2=4,44f·N2·μ·I1·S, dove:
I1 rappresenta la corrente primaria nominale.
S è l'area sezione del nucleo di ferro.
μ è la permeabilità magnetica.
f è la frequenza.
N2 è il numero di spire dell'avvolgimento secondario.
Come si può vedere dalla formula, a causa delle limitazioni della posizione di installazione del trasformatore, le dimensioni esterne del trasformatore non possono essere molto grandi. Pertanto, l'area sezione del nucleo di ferro del trasformatore è relativamente piccola. Per aumentare la sensibilità del trasformatore, è necessario aumentare il numero di spire dell'avvolgimento secondario o migliorare la permeabilità magnetica del nucleo di ferro del trasformatore.
La corrente primaria nominale degli interruttori esterni è fondamentalmente di 630A o meno. Data l'area sezione piccola del nucleo di ferro del trasformatore, per garantire una sensibilità elevata, attraverso esperimenti, il numero di spire dell'avvolgimento secondario è generalmente inizialmente impostato tra 1500 e 2000 spire. Il numero specifico di spire può essere determinato in base al carico secondario e alla tensione di uscita secondaria del trasformatore richiesta dal microcomputer.
Una volta determinate l'area sezione del nucleo, il numero di spire e il carico secondario, il parametro che influenza l'induzione elettromotrice secondaria (cioè la sensibilità) del
trasformatore è correlato solo alla permeabilità magnetica del nucleo. Pertanto, determinare il materiale del nucleo utilizzato nel trasformatore è di cruciale importanza. La linearità e le caratteristiche residue del trasformatore menzionate successivamente sono anche strettamente correlate al materiale del nucleo.
Analizzando i dati nella Tabella 1, sia l'lega nanocristallina che Metglas hanno la permeabilità magnetica più elevata. Tuttavia, Metglas ha un'induzione di saturazione relativamente bassa ed è anche costoso sul mercato. Considerando complessivamente, scegliamo preferenzialmente l'lega nanocristallina come materiale.La sensibilità del trasformatore non è solo proporzionale alla permeabilità magnetica del nucleo, ma ha anche una relazione diretta con la forma del nucleo e la lunghezza del circuito magnetico.
Generalmente, oltre a utilizzare materiali ad alta permeabilità per il nucleo per aumentare la sensibilità del trasformatore, cerchiamo anche di accorciare il circuito magnetico del nucleo il più possibile per ridurre la dispersione magnetica e assicurare l'efficienza del nucleo. In circostanze normali, un nucleo circolare ha il circuito magnetico più corto. Tuttavia, poiché i tre conduttori primari trifase dell'interruttore a vuoto montato su pali esterni sono disposti in fila, quando lo spazio lo consente, il nucleo dovrebbe essere progettato come un ellisse in base alla disposizione e allo spazio tra i tre conduttori primari trifase dell'interruttore. La forma del trasformatore e la sua relazione posizionale con il conduttore primario sono mostrate nella Figura 1.
Il trasformatore di corrente residua dovrebbe essere in grado di rispondere rapidamente a stati di fuga anomali nel circuito e fornire un segnale di tensione azionabile al dispositivo di protezione a microcomputer. Il trasformatore deve avere una buona linearità per riflettere veramente lo stato operativo del circuito. La linearità si riferisce al rapporto tra la variazione della corrente d'ingresso e la variazione della tensione d'uscita del trasformatore che è costante, come mostrato nella Figura 2.
la sensibilità del trasformatore è correlata solo alla permeabilità magnetica del nucleo. Pertanto, determinare il materiale del nucleo utilizzato nel trasformatore è di cruciale importanza. La linearità e le caratteristiche residue del trasformatore menzionate successivamente sono anche strettamente correlate al materiale del nucleo.
Nel circuito, la corrente operativa primaria minima dell'interruttore è generalmente richiesta di essere inferiore a 10A. Pertanto, è generalmente richiesto che quando la corrente primaria del trasformatore è inferiore a 10A, migliore è il rapporto tra la variazione della corrente d'ingresso e la variazione della tensione d'uscita del trasformatore lineare, tanto più soddisfa i requisiti di utilizzo. Il requisito di linearità del trasformatore richiede ripetuti test.
Con una certa permeabilità magnetica del nucleo e un carico secondario, la tensione di uscita del trasformatore è garantita di cambiare linearmente regolando l'area sezione del nucleo o il numero di spire secondarie. Tuttavia, nei circuiti effettivi, ci sono spesso altri fattori che impediscono al trasformatore di fornire un segnale di tensione accurato al dispositivo di protezione a microcomputer.
Quando il trasformatore è installato, deve essere infilato sui tre conduttori trifase disposti in fila. Quando il conduttore primario passa la corrente nominale, il trasformatore di corrente residua sarà interferito dai campi magnetici generati dalle correnti trifase simultaneamente, e la densità di flusso magnetico locale del nucleo aumenterà. Se la parte locale del nucleo è sovrassaturata, la linearità del trasformatore peggiorerà, influenzando seriamente l'entità della tensione di uscita secondaria. Di conseguenza, la protezione a microcomputer potrebbe malfunzionare o non attivarsi.
Durante l'operazione effettiva, dopo che il trasformatore di corrente residua è stato colpito da una corrente di guasto a massa su larga scala, e dopo che l'azione di protezione è completata e il rifornimento di energia è ripristinato per continuare l'operazione, se i parametri tecnici del trasformatore non possono tornare allo stato prima dell'impatto, cioè c'è magnetismo residuo nel nucleo del trasformatore, influenzerà seriamente l'azione accurata del protettore di fuga la prossima volta.
Nel progettare questo trasformatore di corrente residua, si devono osservare i seguenti punti:
Il nucleo dovrebbe preferibilmente essere fatto di lega nanocristallina con alta permeabilità magnetica e basso magnetismo residuo. Questo materiale ha ottime caratteristiche di sovraccarico e può facilmente tornare allo stato magnetico iniziale sotto impatto di corrente eccessiva. La tensione residua del trasformatore può essere controllata e rilevata non essere troppo grande simulando il passaggio di varie correnti di guasto a massa sul lato primario. Tuttavia, la tensione residua del trasformatore generalmente aumenta con l'aumento della corrente primaria nominale. Ma dopo che il nucleo raggiunge la saturazione magnetica, la tensione residua sul lato secondario del trasformatore aumenterà drasticamente.
Nel progettare il trasformatore, per minimizzare l'influenza della corrente primaria sul valore di tensione residua del trasformatore di corrente residua, scegliendo una lega nanocristallina con alta permeabilità magnetica e basso magnetismo residuo per fare il nucleo, si possono prendere misure come aumentare adeguatamente l'area sezione del nucleo o ridurre la resistenza interna dell'avvolgimento secondario per ridurre la tensione residua del trasformatore di corrente residua.
