Prestatiekenmerken en structuurontwerp van stroomonderbrekers met vacuümschakelaar voor buitengebruik op paal
Van 2009 tot 2010 was het State Grid in de pilotfase van het slimme netwerkplan, met focus op het ontwikkelen van het sterke slimme netwerkontwikkelingsplan, onderzoek en ontwikkeling van sleuteltechnologieën, productie van apparatuur en het uitvoeren van pilotprojecten in verschillende sectoren. De periode van 2011 tot 2015 markeerde de volledige bouwfase, waarin een operationeel controle- en interactieve dienstensysteem voor het slimme netwerk werd gevormd, en er significante doorbraken werden bereikt in sleuteltechnologieën en apparatuur, wat leidde tot hun uitgebreide toepassing.
Van 2016 tot 2020 kwam het in de leidende en verbeteringsfase, waarbij een geünificeerd en sterk slim netwerk volledig was opgezet, en de technologieën en apparatuur het internationale geavanceerde niveau hadden bereikt. Tegen die tijd zal de mogelijkheid van het netwerk om de bronallocatie te optimaliseren aanzienlijk zijn verbeterd. Om te voldoen aan de ontwikkelingsdoelstellingen van het nationale slimme netwerk, moeten buitengeplaatste paalgestelde vacuümschakelaars die op de belangrijkste elektriciteitsnetwerken zijn geïnstalleerd, microcomputer-gebaseerde intelligente bescherming met hoge gevoeligheid bereiken, wat betekent dat de minimale primaire werkingstroomwaarde laag moet zijn.
Daarom, naast elke van de drie fasen die is uitgerust met een aparte stroomtransformator voor differentiële bescherming, hebben buitengeplaatste paalgestelde vacuümschakelaars ook reststrometransformators nodig voor microcomputerbescherming om nauwkeurige lekstroombescherming voor de microcomputer te bieden. Traditionele reststrometransformators zijn groot, zwaar en hebben een lage precisie.
Gevolgen van factoren zoals beperkte installatieruimte en lange secundaire voedingscircuits kunnen ze nauwelijks voldoen aan de toepassingsvereisten van microcomputerbescherming voor buitengeplaatste paalgestelde vacuümschakelaars. Momenteel worden alle buitengeplaatste schakelaars die voldoen aan de eisen van het nationale slimme netwerk geproduceerd door buitenlandse bedrijven, wat hoge kosten veroorzaakt. Om aan de ontwikkelingsvereisten van het nationale slimme netwerk te voldoen, is het nodig om buitengeplaatste schakelaars te ontwikkelen die aan de behoeften van het nationale slimme netwerk voldoen.
Momenteel is de primaire technische uitdaging die we moeten aanpakken, het ontwikkelen van reststrometransformators voor microcomputerbescherming die in combinatie met deze schakelaars kunnen worden gebruikt, voldoend aan de vereisten van installatie in kleine ruimtes, hoge-gevoeligheidslekstroommicrocomputerbescherming en nauwkeurige werking, en als eerste de localisatie van reststrometransformators voor microcomputerbescherming realiseren.
Toepassingen en Prestatievereisten van Reststrometransformators voor Microcomputerbescherming
De reststrometransformator (nulreeks-stroomtransformator) is een gespecialiseerde stroomtransformator ontworpen om reststroom (nulreeksstroom) te transformeren. Het wordt gebruikt voor eenfasige grondsluitingbescherming in neutraal geïsoleerde systemen. De driefasige geleiders passeren gelijktijdig door het kernvenster van de transformator, fungerend als de primaire winding van de transformator.
Wanneer het systeem normaal werkt, is de faseringsom van de driefasige stromen nul, en is er geen uitvoer van de secundaire zijde van de reststrometransformator. Wanneer er een eenfasige grondsluitingsfout optreedt in een bepaalde lijn, bereikt de primaire stroom van de reststrometransformator de minimale werkingstroom van de relais of microcomputerbescherming, waardoor het beschermingsapparaat actief wordt.
Anders blijft het inactief. In traditionele reststrometransformators is de secundaire zijde direct verbonden met een relais. Aangezien het aantal windingen in de primaire winding van de transformator meestal 1 is, is het aantal windingen in de secundaire winding erg klein. De minimale primaire werkingstroom van traditionele reststrometransformators ligt meestal tussen 2,4A en 10A, en de genoemde primaire stroom van traditionele reststrometransformators wordt meestal gekozen in het bereik van 15A tot 300A. Om de nauwkeurigheidsvereisten te voldoen, wordt de doorsnede van de transformatorkern ontworpen om relatief groot te zijn, wat resulteert in een grote afmeting, zwaar gewicht, lage precisie en kleine secundaire belasting.
Wanneer de foutstroom minder dan 2,4A is, is de stroom die door de traditionele transformator wordt uitgebracht ontoereikend om het relais te activeren, wat een "dood zone" creëert. Daarom is het nodig om een speciale reststrometransformator te ontwerpen die kan worden gebruikt in combinatie met microcomputerbescherming, om de transformator in staat te stellen nauwkeurige bescherming te bieden aan de microcomputer binnen een breed scala aan werkingstromen zonder een dood zone.
Beperkt door de installatieruimte van de schakelaar, moet de speciale reststrometransformator die wordt gebruikt in combinatie met microcomputerbescherming niet alleen klein van afmeting en licht van gewicht zijn, maar ook hoge precisie van de secundaire uitvoer en een grote secundaire belasting vereisen. Over het algemeen wordt de primaire werkingstroom van de transformator vereist tussen 0,2A en 10A. Als de transformator goede lineariteit en gevoeligheid kan garanderen onder de omstandigheden van een grote secundaire belastingsuitvoer, kan het voldoen aan de vereisten van microcomputerbescherming en het optreden van een "dood zone" voorkomen.
Constructieontwerp van Reststrometransformators voor Microcomputerbescherming
Selectie van de Genoemde Belastingsparameters van de Transformator
Buitengeplaatste paalgestelde vacuümschakelaars worden meestal buitenshuis geïnstalleerd en zijn ver verwijderd van de ondersteunende automatiseringsapparatuur. Echter, de belasting die door de microcomputerbescherming zelf is vereist, is zeer laag. Bij het ontwerpen van de reststrometransformator, wordt de genoemde belasting voornamelijk bepaald door de belasting van de secundaire voedingscircuit van de transformator. Aangezien het microcomputerbeschermingsapparaat meestal ver verwijderd is van de buitengeplaatste schakelaar, wordt de genoemde belasting van de transformator doorgaans gekozen als relatief groot, met een maximum van ongeveer 200Ω (deze belasting kan worden bepaald op basis van de feitelijke situatie van de gebruiker).
Selectie van het Aantal Windingen van de Primaire en Secundaire Windingen, Kernvorm en Materiaal
Reststrometransformators voor microcomputerbescherming vereisen uiterst hoge gevoeligheid en moeten snel en nauwkeurig reageren. Gevoeligheid verwijst naar de vermogen van de secundaire winding van de transformator om te reageren op lekstroom, wat kan worden omschreven als volgt: bij een bepaalde hoeveelheid lekstroom, hoe hoger de geïnduceerde elektromotiviteit van verschillende transformators, hoe hoger hun gevoeligheid.
Gevoeligheid is gerelateerd aan het aantal windingen van de primaire en secundaire windingen van de transformator. Hoe meer windingen in de secundaire winding, hoe hoger de gevoeligheid. De reststrometransformator wordt direct geïnstalleerd op de driefasige primaire geleiders, en de primaire draad is de beschermd lijn, met het aantal primaire windingen 1. Het vergroten van het aantal primaire windingen is niet praktisch.
De geïnduceerde elektromotiviteit van de secundaire winding, U2=4,44f⋅N2⋅μ⋅I1⋅S, waar:
I1 vertegenwoordigt de genoemde primaire stroom.
S is de doorsnede van de ijzerkern.
muis de magnetische doorlaatbaarheid.
f is de frequentie.
N2 is het aantal windingen van de secundaire winding.
Zoals uit de formule blijkt, ten gevolge van de beperkingen van de installatiepositie van de transformator, kunnen de externe afmetingen van de transformator niet zeer groot zijn. Dus, de doorsnede van de ijzerkern van de transformator is relatief klein. Om de gevoeligheid van de transformator te verhogen, is het nodig om ofwel het aantal windingen van de secundaire winding te verhogen, of de magnetische doorlaatbaarheid van de ijzerkern van de transformator te verbeteren.
De genoemde primaire stroom van buitengeplaatste schakelaars is in principe 630A of minder. Gezien de kleine doorsnede van de ijzerkern van de transformator, om hoge gevoeligheid te waarborgen, wordt het aantal windingen van de secundaire winding in het algemeen via experimenten eerst ingesteld tussen 1500 en 2000 windingen. Het specifieke aantal windingen kan worden bepaald op basis van de secundaire belasting en de secundaire uitvoerspanning van de transformator die door de microcomputer zijn vereist.
Zodra de doorsnede van de ijzerkern, het aantal windingen en de secundaire belasting zijn bepaald, is het parameter dat de geïnduceerde elektromotiviteit (d.w.z. gevoeligheid) van de secundaire zijde van de transformator beïnvloedt, alleen gerelateerd aan de magnetische doorlaatbaarheid van de ijzerkern. Daarom is het bepalen van het materiaal van de ijzerkern dat in de transformator wordt gebruikt, van cruciaal belang. De lineairheid en residuele kenmerken van de transformator, zoals later vermeld, zijn ook nauw gerelateerd aan het materiaal van de ijzerkern.
Door de gegevens in Tabel 1 te analyseren, hebben beide nanokristallijn legers en Metglas de hoogste magnetische doorlaatbaarheid. Echter, Metglas heeft een relatief lage verzadigingsinductieintensiteit en is ook duur op de markt. Alles overwegend, selecteren we nanokristallijn leger als materiaal. De gevoeligheid van de transformator is niet alleen evenredig met de magnetische doorlaatbaarheid van de ijzerkern, maar heeft ook een directe relatie met de vorm van de ijzerkern en de lengte van het magnetische circuit.
Over het algemeen, naast het gebruik van materialen met hoge doorlaatbaarheid voor de ijzerkern om de gevoeligheid van de transformator te verhogen, proberen we ook zo veel mogelijk het magnetische circuit van de ijzerkern te verkorten om magnetische lekkage te verminderen en de benutting van de ijzerkern te waarborgen. Onder normale omstandigheden heeft een cirkelvormige ijzerkern het kortste magnetische circuit. Echter, aangezien de driefasige primaire geleiders van de buitengeplaatste paalgestelde schakelaar zij aan zij in een lijn zijn gerangschikt, moet de ijzerkern, wanneer de ruimte toestaat, worden ontworpen als een ellips gebaseerd op de rangschikking en de afstand tussen de driefasige primaire geleiders van de schakelaar. De vorm van de transformator en de positiebetrekking met de primaire geleider staan aangegeven in Figuur 1.
De reststrometransformator moet in staat zijn om snel te reageren op abnormale lektoestanden in het circuit en een bruikbaar spanningssignaal te verstrekken aan het microcomputerbeschermingsapparaat. De transformator moet goede lineairheid hebben om de werkingstoestand van het circuit echt weer te geven. Lineairheid verwijst naar het feit dat de verhouding tussen de verandering van de ingangsstroom en de verandering van de uitgangsspanning van de transformator constant is, zoals getoond in Figuur 2.
De gevoeligheid van de transformator is niet alleen evenredig met de magnetische doorlaatbaarheid van de ijzerkern, maar heeft ook een directe relatie met de vorm van de ijzerkern en de lengte van het magnetische circuit. Daarom is het bepalen van het materiaal van de ijzerkern dat in de transformator wordt gebruikt, van cruciaal belang. De lineairheid en residuele kenmerken van de transformator, zoals later vermeld, zijn ook nauw gerelateerd aan het materiaal van de ijzerkern.
In het circuit wordt de minimale primaire werkingstroom van de schakelaar in het algemeen vereist om onder 10A te liggen. Daarom wordt in het algemeen vereist dat wanneer de primaire stroom van de transformator onder 10A ligt, hoe beter de verhouding tussen de verandering van de ingangsstroom en de verandering van de uitgangsspanning van de transformator lineair is, hoe meer het de gebruikseisen voldoet. De lineairheidsvereiste van de transformator vereist herhaaldelijke tests.
Onder de omstandigheden van een bepaalde magnetische doorlaatbaarheid van de ijzerkern en secundaire belasting, wordt de spanninguitvoer van de transformator verzekerd om lineair te veranderen door de doorsnede van de ijzerkern of het aantal secundaire windingen te regelen. Echter, in werkelijke circuits zijn er vaak andere factoren die de transformator beïnvloeden om een nauwkeurig spanningssignaal te verstrekken aan het microcomputerbeschermingsapparaat.
Wanneer de transformator wordt geïnstalleerd, moet hij worden gesleept over de driefasige geleiders die zij aan zij in een lijn zijn gerangschikt. Wanneer de primaire geleider de genoemde stroom passeert, zal de reststrometransformator worden gestoord door de magnetische velden die tegelijkertijd door de driefasige stromen worden gegenereerd, en de lokale magneetvloeddichtheid van de ijzerkern zal toenemen. Als het lokale deel van de ijzerkern oververzadigd raakt, zal de lineairheid van de transformator verslechteren, wat ernstig de grootte van de secundaire uitvoerspanning beïnvloedt. Hierdoor kan de microcomputerbescherming foutief werken of niet werken.
Tijdens de werkelijke werking, na de reststrometransformator te zijn blootgesteld aan een grootschalige grondfoutstroom, en nadat de beschermingsactie is voltooid en de energietoevoer is hersteld voor voortgezette werking, als de technische parameters van de transformator niet kunnen terugkeren naar de staat voor de impact, d.w.z. er is residuele magnetisme in de ijzerkern van de transformator, zal dit ernstig de nauwkeurige werking van de lekstroombeveiliging de volgende keer beïnvloeden.
Bij het ontwerpen van deze reststrometransformator, moeten de volgende punten worden opgemerkt:
De ijzerkern moet voorkeurig gemaakt zijn van nanokristallijn leger met hoge magnetische doorlaatbaarheid en lage residuele magnetisme. Dit materiaal heeft goede overbelastingskenmerken en kan gemakkelijk terugkeren naar de initiële magnetische staat onder overstroomimpact. De residuele spanning van de transformator kan worden gecontroleerd en gedetecteerd om niet te groot te zijn door de doorgang van verschillende grondfoutstromen aan de primaire zijde te simuleren. Echter, de residuele spanning van de transformator neemt in het algemeen toe met de toename van de genoemde primaire stroom. Maar na de ijzerkern magnetisch verzadigd te zijn, zal de residuele spanning aan de secundaire zijde van de transformator plotseling toenemen.
Bij het ontwerpen van de transformator, om de invloed van de primaire stroom op de residuele spanningwaarde van de reststrometransformator te minimaliseren, wanneer nanokristallijn leger met hoge magnetische doorlaatbaarheid en lage residuele magnetisme wordt gekozen om de ijzerkern te maken, kunnen maatregelen zoals het passend vergroten van de doorsnede van de ijzerkern of het verminderen van de interne weerstand van de secundaire winding gezamenlijk worden genomen om de residuele spanning van de reststrometransformator te verlagen.
