Właściwości wydajnościowe i konstrukcyjne zewnętrznych próżniowych przekaźników obwodowych montowanych na słupie
Od 2009 do 2010 roku sieć państwowa znajdowała się w fazie pilotażowej planowania inteligentnej sieci energetycznej, koncentrując się na opracowaniu planu rozwoju silnej inteligentnej sieci, prowadzeniu badań i rozwoju kluczowych technologii, produkcji sprzętu oraz realizacji projektów pilotażowych w różnych sektorach. Okres od 2011 do 2015 roku oznaczał pełną fazę budowy, podczas której początkowo utworzono system sterowania operacyjnego i interaktywnych usług dla inteligentnej sieci, osiągając istotne przełomy w kluczowych technologiach i sprzęcie, co doprowadziło do ich szerokiego zastosowania.
W latach 2016-2020 nastąpiła faza prowadzenia i modernizacji, w której ustanowiono jednolitą i silną inteligentną sieć, a technologie i sprzęt osiągnęły międzynarodowe zaawansowane poziomy. Wtedy zdolność sieci do optymalizacji alokacji zasobów znacznie się poprawiła. Aby sprostać celom rozwojowym narodowej inteligentnej sieci, wymagane są montowane na słupach wentylowane przerywacze próżniowe z mikrokomputerową inteligentną ochroną o wysokiej czułości, co oznacza niską minimalną wartość pierwotnej prądu roboczego.
Dlatego, obok osobnych transformatorów prądowych dla ochrony różnicowej w każdym z trzech etapów, montowane na słupach wentylowane przerywacze próżniowe muszą być wyposażone w transformatory prądu resztowego do mikrokomputerowej ochrony, aby zapewnić precyzyjną ochronę przeciwko przeciekowi dla mikrokomputera. Tradycyjne transformatory prądu resztowego są duże, ciężkie i mało dokładne.
Z powodu ograniczeń takich jak ograniczona przestrzeń montażowa i długie obwody wtórne, trudno jest im spełnić wymagania mikrokomputerowej ochrony dla montowanych na słupach wentylowanych przerywatów próżniowych. Obecnie wszystkie montowane na zewnątrz przerywacze, które mogą spełniać wymagania narodowej inteligentnej sieci, są produkowane przez przedsiębiorstwa zagraniczne, co skutkuje wysokimi kosztami. Aby dostosować się do wymagań rozwoju narodowej inteligentnej sieci, konieczne jest opracowanie montowanych na zewnątrz przerywatów spełniających potrzeby narodowej inteligentnej sieci.
Obecnie podstawowym technicznym wyzwaniem, jakie musimy pokonać, jest opracowanie transformatorów prądu resztowego do mikrokomputerowej ochrony, które mogą być używane wraz z tymi przerywatami, spełniając wymagania dotyczące montażu w małych przestrzeniach, mikrokomputerowej ochrony przeciwko przeciekowi o wysokiej czułości i precyzyjnej pracy, a także pierwszego osiągnięcia lokalizacji transformatorów prądu resztowego do mikrokomputerowej ochrony.
Zastosowania i wymagania dotyczące wydajności transformatorów prądu resztowego do mikrokomputerowej ochrony
Transformator prądu resztowego (transformator prądu zerowego) to specjalny transformator prądowy zaprojektowany do transformacji prądu resztowego (prądu zerowego). Jest używany do ochrony przeciwwstrzałowej w systemach izolowanych neutralnie. Trzy przewody fazowe jednocześnie przechodzą przez okno rdzenia transformatora, stanowiąc jego pierwotne cewki.
Gdy system działa normalnie, wektorowa suma prądów trójfazowych wynosi zero, a nie ma wyjścia ze strony wtórnej transformatora prądu resztowego. Gdy wystąpi awaria jednofazowego przewodu ziemiowego, pierwotny prąd transformatora prądu resztowego osiąga minimalny prąd roboczy relé lub mikrokomputerowej ochrony, uruchamiając urządzenie ochronne.
W przeciwnym razie pozostaje nieaktywne. W tradycyjnych transformatorach prądu resztowego strona wtórna jest bezpośrednio podłączona do relé. Ponieważ liczba zwinięć pierwotnej cewki transformatora zazwyczaj wynosi 1, liczba zwinięć cewki wtórnej jest bardzo mała. Minimalny prąd roboczy pierwotny tradycyjnych transformatorów prądu resztowego najczęściej mieści się w zakresie od 2,4A do 10A, a nominalny prąd pierwotny tradycyjnych transformatorów prądu resztowego zwykle wybierany jest w zakresie od 15A do 300A. Aby spełnić wymagania dotyczące dokładności, przekrój poprzeczny rdzenia transformatora jest zaprojektowany jako stosunkowo duży, co powoduje, że jest duży, ciężki, ma niską dokładność i małą obciążalność wtórną.
Gdy prąd awarii jest mniejszy niż 2,4A, prąd wyjściowy z tradycyjnego transformatora jest niewystarczający, aby aktywować relé, tworząc "strefę martwą". Dlatego, aby umożliwić transformatorowi dokładną ochronę mikrokomputera w szerokim zakresie prądów roboczych bez strefy martwej, konieczne jest zaprojektowanie specjalnego transformatora prądu resztowego, który może być używany wraz z mikrokomputerową ochroną.
Ze względu na ograniczoną przestrzeń montażową przerywatów, specjalny transformator prądu resztowego używany z mikrokomputerową ochroną musi być mały, lekki, ale również wymaga precyzyjnego wyjścia wtórnego i dużej obciążalności wtórnej. Zwykle wymagany jest pierwotny prąd roboczy transformatora w zakresie od 0,2A do 10A. Jeśli transformator może zapewnić dobrą liniowość i czułość przy dużym wyjściu obciążenia wtórnego, może spełnić wymagania mikrokomputerowej ochrony i uniknąć pojawienia się "strefy martwej."
Konstrukcyjne projektowanie transformatorów prądu resztowego do mikrokomputerowej ochrony
Wybór parametrów nominalnej obciążalności transformatora
Montowane na słupach wentylowane przerywacze próżniowe są zazwyczaj instalowane na zewnątrz i są oddalone od wspomagających urządzeń automatyzacji. Jednak obciążenie wymagane przez mikrokomputerową ochronę samo w sobie jest niewielkie. Podczas projektowania transformatora prądu resztowego, nominalne obciążenie głównie uwzględnia obciążenie obwodu wtórnego transformatora. Ponieważ urządzenie mikrokomputerowej ochrony jest zwykle oddalone od montowanego na słupie przerywatka, nominalne obciążenie transformatora jest zwykle wybierane jako stosunkowo duże, z maksimum dochodzącym do około 200Ω (to obciążenie można określić w zależności od rzeczywistej sytuacji użytkownika).
Wybór liczby zwinięć pierwotnej i wtórnej cewki, kształtu i materiału rdzenia
Transformatory prądu resztowego do mikrokomputerowej ochrony wymagają ekstremalnie wysokiej czułości i muszą reagować szybko i dokładnie. Czułość odnosi się do zdolności wtórnej cewki transformatora do reagowania na prąd przeciekowy, co można opisać następująco: przy pewnej ilości prądu przeciekowego, im wyższa indukowana siła elektromotoryczna różnych transformatorów, tym wyższa ich czułość.
Czułość jest związana z liczbą zwinięć pierwotnej i wtórnej cewki transformatora. Im więcej zwinięć w cewce wtórnej, tym wyższa czułość. Transformator prądu resztowego jest bezpośrednio montowany na trójfazowych pierwotnych przewodach, a pierwotny przewód jest chronioną linią, z liczbą zwinięć pierwotnych równą 1. Zwiększenie liczby zwinięć pierwotnych nie jest praktyczne.
Indukowana siła elektromotoryczna cewki wtórnej, U2=4,44f⋅N2⋅μ⋅I1⋅S, gdzie:
I1 oznacza nominalny prąd pierwotny.
S jest przekrojem poprzecznym rdzenia żelaznego.
μ jest przenikalnością magnetyczną.
f jest częstotliwością.
N2 to liczba zwinięć cewki wtórnej.
Jak widać z wzoru, ze względu na ograniczenia miejsca montażu transformatora, wymiary zewnętrzne transformatora nie mogą być zbyt duże. Dlatego przekrój poprzeczny rdzenia żelaznego transformatora jest stosunkowo mały. Aby zwiększyć czułość transformatora, konieczne jest albo zwiększenie liczby zwinięć cewki wtórnej, albo poprawienie przenikalności magnetycznej rdzenia żelaznego transformatora.
Nominalny prąd pierwotny montowanych na zewnątrz przerywatów jest zasadniczo 630A lub mniej. Biorąc pod uwagę mały przekrój poprzeczny rdzenia żelaznego transformatora, aby zapewnić wysoką czułość, eksperymenty pokazują, że liczba zwinięć cewki wtórnej jest zazwyczaj początkowo ustawiana między 1500 a 2000 zwinięciami. Dokładna liczba zwinięć może być określona w zależności od obciążenia wtórnego i napięcia wyjściowego transformatora wymaganego przez mikrokomputer.
Po ustaleniu przekroju poprzecznego rdzenia, liczby zwinięć i obciążenia wtórnego, parametr wpływający na indukowaną siłę elektromotoryczną wtórną (czyli czułość) transformatora jest tylko związany z przenikalnością magnetyczną rdzenia. Dlatego określenie materiału rdzenia żelaznego używanego w transformatorze jest kluczowe. Później omówione liniowość i cechy pozostałe transformatora są również ściśle związane z materiałem rdzenia żelaznego.
Analizując dane w tabeli 1, zarówno nanokrystaliczny stop, jak i Metglas mają najwyższą przenikalność magnetyczną. Jednak Metglas ma stosunkowo niską nasyceną indukcję i jest drogi na rynku. Biorąc pod uwagę wszystkie czynniki, preferujemy nanokrystaliczny stop jako materiał. Czułość transformatora jest proporcjonalna nie tylko do przenikalności magnetycznej rdzenia, ale ma również bezpośredni związek z kształtem rdzenia i długością obwodu magnetycznego.
Ogólnie, oprócz użycia materiałów o wysokiej przenikalności magnetycznej do rdzenia, aby zwiększyć czułość transformatora, starajmy się jak najbardziej skrócić obwód magnetyczny rdzenia, aby zmniejszyć przecieki magnetyczne i zapewnić wykorzystanie rdzenia. W normalnych warunkach, okrągły rdzeń ma najkrótszy obwód magnetyczny. Jednak ponieważ trójfazowe pierwotne przewody montowanego na słupie przerywatka są ułożone obok siebie w linii, gdy przestrzeń na to pozwala, rdzeń powinien być zaprojektowany jako elipsa na podstawie układu i odstępów trójfazowych pierwotnych przewodów przerywatka. Kształt transformatora i jego relacja pozycyjna z pierwotnym przewodem są przedstawione na Rysunku 1.
Transformator prądu resztowego powinien być w stanie szybko reagować na nietypowe stany przeciekowe w obwodzie i dostarczać mikrokomputerowemu urządzeniu ochrony działalnego napięcia sygnałowego. Transformator musi mieć dobrą liniowość, aby prawdziwie odzwierciedlać stan działania obwodu. Liniowość oznacza, że stosunek zmiany prądu wejściowego do zmiany napięcia wyjściowego transformatora jest stały, jak pokazano na Rysunku 2.
transformatora jest tylko związany z przenikalnością magnetyczną rdzenia. Dlatego określenie materiału rdzenia żelaznego używanego w transformatorze jest kluczowe. Później omówione liniowość i cechy pozostałe transformatora są również ściśle związane z materiałem rdzenia żelaznego.
W obwodzie, minimalny prąd roboczy pierwotny przerywatka jest zazwyczaj wymagany poniżej 10A. Dlatego ogólnie wymaga się, aby gdy prąd pierwotny transformatora jest poniżej 10A, lepszy stosunek zmiany prądu wejściowego do zmiany napięcia wyjściowego transformatora był liniowy, tym bardziej spełniający wymagania użytkowania. Wymagania liniowości transformatora wymagają wielokrotnych testów.
Przy określonej przenikalności magnetycznej rdzenia i obciążeniu wtórnym, napięcie wyjściowe transformatora jest gwarantowane, aby zmieniało się liniowo poprzez dostosowanie przekroju poprzecznego rdzenia lub liczby zwinięć wtórnych. Jednak w rzeczywistych obwodach często występują inne czynniki, które wpłaszczą na to, aby transformator dostarczał dokładnego sygnału napięciowego do mikrokomputerowego urządzenia ochrony.
Podczas montażu transformatora należy go nasadzić na trójfazowe przewody ułożone obok siebie w linii. Gdy pierwotny przewód przepuszcza nominalny prąd, transformator prądu resztowego zostanie zakłócony przez pola magnetyczne generowane przez trójfazowe prądy, a lokalna gęstość natężenia magnetycznego rdzenia wzrośnie. Jeśli lokalna część rdzenia będzie nadmiernie nasycana, liniowość transformatora pogorszy się, poważnie wpływa na wielkość napięcia wyjściowego wtórnego. W rezultacie mikrokomputerowa ochrona może działać niepoprawnie lub nie działać wcale.
W czasie rzeczywistej eksploatacji, po uderzeniu transformatora prądu resztowego dużym prądem przewodzenia do ziemi, a po zakończeniu działania ochrony i przywróceniu zasilania do dalszej eksploatacji, jeśli parametry techniczne transformatora nie wrócą do stanu sprzed uderzenia, czyli w rdzeniu transformatora wystąpi resztkowa magnetyczność, poważnie wpłynie to na dokładne działanie ochrony przeciwko przeciekom w następnym cyklu.
Podczas projektowania tego transformatora prądu resztowego należy zwrócić uwagę na następujące punkty:
Rdzeń powinien być wykonany z nanokrystalicznego stopu o wysokiej przenikalności magnetycznej i niskiej resztkowej magnetyczności. Ten materiał ma dobre cechy przeciążeniowe i łatwo wraca do początkowego stanu magnetycznego pod wpływem przepięcia. Napięcie resztkowe transformatora można kontrolować i monitorować, aby nie było zbyt duże, symulując różne prądy przewodzenia do ziemi na stronie pierwotnej. Jednak napięcie resztkowe transformatora zazwyczaj rośnie wraz ze wzrostem nominalnego prądu pierwotnego. Po osiągnięciu nasycenia magnetycznego rdzenia, napięcie resztkowe na stronie wtórnej transformatora zwiększy się gwałtownie.
Podczas projektowania transformatora, aby zminimalizować wpływ prądu pierwotnego na wartość napięcia resztkowego transformatora prądu resztowego, gdy wybieramy nanokrystaliczny stop o wysokiej przenikalności magnetycznej i niskiej resztkowej magnetyczności do wykonania rdzenia, można podjąć wspólne działania, takie jak odpowiednie zwiększenie przekroju poprzecznego rdzenia lub zmniejszenie oporu wewnętrznego cewki wtórnej, aby zredukować napięcie resztkowe transformatora prądu resztowego.
