Características de desempenho e design estrutural de disjuntores a vácuo montados em postes ao ar livre
De 2009 a 2010, a Rede Estatal estava na fase piloto do planejamento da rede inteligente, focando no desenvolvimento do plano de desenvolvimento da forte rede inteligente, conduzindo pesquisa e desenvolvimento de tecnologias-chave, fabricação de equipamentos e realizando projetos pilotos em diversos setores. O período de 2011 a 2015 marcou a fase de construção em larga escala, durante a qual foi inicialmente formado um sistema de controle operacional e serviço interativo para a rede inteligente, e foram alcançadas significativas conquistas em tecnologias-chave e equipamentos, levando à sua aplicação extensiva.
De 2016 a 2020, entrou na fase de liderança e atualização, com uma rede inteligente unificada e forte totalmente estabelecida, e as tecnologias e equipamentos atingiram níveis avançados internacionais. Até então, a capacidade da rede de otimizar a alocação de recursos será grandemente melhorada. Para responder aos objetivos de desenvolvimento da rede inteligente nacional, os disjuntores de vácuo montados em postes ao ar livre instalados nas principais redes elétricas são obrigados a alcançar proteção inteligente baseada em microcomputador com alta sensibilidade, o que significa um valor mínimo de corrente operacional primária baixo.
Portanto, além de cada uma das três fases ser equipada com um transformador de corrente separado para proteção diferencial, os disjuntores de vácuo montados em postes ao ar livre também precisam ser equipados com transformadores de corrente residual para proteção por microcomputador, fornecendo proteção de vazamento precisa para o microcomputador. Os transformadores de corrente residuais tradicionais são grandes, pesados e de baixa precisão.
Afetados por fatores como espaço de instalação limitado e circuitos de fiação secundária longos, eles dificilmente podem atender aos requisitos de proteção por microcomputador para disjuntores de vácuo montados em postes ao ar livre. Atualmente, todos os disjuntores ao ar livre que podem atender aos requisitos da rede inteligente nacional são produzidos por empresas estrangeiras, resultando em altos custos. Para se adaptar aos requisitos de desenvolvimento da rede inteligente nacional, é necessário desenvolver disjuntores ao ar livre que atendam às necessidades da rede inteligente nacional.
Atualmente, o principal desafio técnico que precisamos abordar é o desenvolvimento de transformadores de corrente residual para proteção por microcomputador que possam ser usados em conjunto com esses disjuntores, atendendo aos requisitos de instalação em espaços pequenos, proteção de vazamento de alta sensibilidade por microcomputador e operação precisa, e primeiro alcançando a localização dos transformadores de corrente residual para proteção por microcomputador.
Aplicações e Requisitos de Desempenho dos Transformadores de Corrente Residual para Proteção por Microcomputador
O transformador de corrente residual (transformador de corrente de sequência zero) é um transformador de corrente especializado projetado para transformar a corrente residual (corrente de sequência zero). É usado para proteção de aterramento monofásico em sistemas com neutro isolado. As três fases condutoras passam simultaneamente pela janela do núcleo do transformador, servindo como a bobina primária do transformador.
Quando o sistema opera normalmente, a soma fasorial das correntes trifásicas é zero, e não há saída do lado secundário do transformador de corrente residual. Quando ocorre um defeito de aterramento monofásico em uma certa linha, a corrente primária do transformador de corrente residual atinge a corrente operacional mínima do relé ou proteção por microcomputador, acionando o dispositivo de proteção.
Caso contrário, ele permanece inativo. Nos transformadores de corrente residual tradicionais, o lado secundário está diretamente conectado a um relé. Como o número de espiras na bobina primária do transformador geralmente é 1, o número de espiras na bobina secundária é muito pequeno. A corrente operacional primária mínima dos transformadores de corrente residual tradicionais está geralmente entre 2,4A e 10A, e a corrente primária nominal dos transformadores de corrente residual tradicionais geralmente é selecionada no intervalo de 15A a 300A. Para atender aos requisitos de precisão, a área seccional do núcleo do transformador é projetada para ser relativamente grande, resultando em tamanho grande, peso elevado, baixa precisão e carga secundária pequena.
Quando a corrente de defeito é inferior a 2,4A, a corrente fornecida pelo transformador tradicional é insuficiente para acionar o relé, criando uma "zona morta". Portanto, para permitir que o transformador forneça proteção precisa para o microcomputador em uma ampla faixa de correntes de operação sem zona morta, é necessário projetar um transformador de corrente residual especial que possa ser usado em conjunto com a proteção por microcomputador.
Limitado pelo espaço de instalação do disjuntor, o transformador de corrente residual especial usado com proteção por microcomputador não apenas precisa ser pequeno e leve, mas também requer saída secundária de alta precisão e carga secundária grande. Geralmente, a corrente operacional primária do transformador deve estar entre 0,2A e 10A. Se o transformador puder garantir boa linearidade e sensibilidade sob a condição de saída de carga secundária grande, ele pode atender aos requisitos de proteção por microcomputador e evitar a ocorrência de uma "zona morta".
Projeto Estrutural dos Transformadores de Corrente Residual para Proteção por Microcomputador
Seleção dos Parâmetros de Carga Nominal do Transformador
Os disjuntores de vácuo montados em postes ao ar livre geralmente são instalados ao ar livre e estão distantes dos dispositivos de automação de suporte. No entanto, a carga exigida pela própria proteção por microcomputador é muito baixa. Ao projetar o transformador de corrente residual, a carga nominal considera principalmente a carga do circuito de fiação secundária do transformador. Como o dispositivo de proteção por microcomputador geralmente está distante do disjuntor montado em poste instalado ao ar livre, a carga nominal do transformador geralmente é selecionada para ser relativamente grande, com o máximo atingindo cerca de 200Ω (essa carga pode ser determinada de acordo com a situação real do usuário).
Seleção do Número de Espiras das Bobinas Primária e Secundária, Forma e Material do Núcleo
Os transformadores de corrente residual para proteção por microcomputador exigem sensibilidade extremamente alta e devem responder prontamente e com precisão. Sensibilidade refere-se à capacidade da bobina secundária do transformador de responder à corrente de vazamento, que pode ser descrita da seguinte forma: sob uma certa quantidade de corrente de vazamento, quanto maior a força eletromotriz induzida de diferentes transformadores, maior sua sensibilidade.
A sensibilidade está relacionada ao número de espiras das bobinas primária e secundária do transformador. Quanto mais espiras na bobina secundária, maior a sensibilidade. O transformador de corrente residual é instalado diretamente nos três condutores primários trifásicos, e o fio primário é a linha protegida, com o número de espiras primárias sendo 1. Aumentar o número de espiras primárias não é prático.
A força eletromotriz induzida na bobina secundária, U2=4,44f·N2·μ·I1·S, onde:
I1 representa a corrente primária nominal.
S é a área seccional do núcleo de ferro.
μ é a permeabilidade magnética.
f é a frequência.
N2 é o número de espiras da bobina secundária.
Como se pode ver pela fórmula, devido às limitações da posição de instalação do transformador, as dimensões externas do transformador não podem ser muito grandes. Assim, a área seccional do núcleo de ferro do transformador é relativamente pequena. Para aumentar a sensibilidade do transformador, é necessário aumentar o número de espiras da bobina secundária ou melhorar a permeabilidade magnética do núcleo de ferro do transformador.
A corrente primária nominal dos disjuntores ao ar livre é basicamente 630A ou menos. Dada a pequena área seccional do núcleo de ferro do transformador, para garantir alta sensibilidade, através de experimentos, o número de espiras da bobina secundária é geralmente inicialmente definido entre 1500 e 2000 espiras. O número específico de espiras pode ser determinado de acordo com a carga secundária e a tensão de saída secundária do transformador exigida pelo microcomputador.
Uma vez determinada a área seccional do núcleo, o número de espiras e a carga secundária, o parâmetro que afeta a força eletromotriz induzida secundária (ou seja, a sensibilidade) do transformador está apenas relacionado à permeabilidade magnética do núcleo de ferro. Portanto, determinar o material do núcleo de ferro usado no transformador é de crucial importância. A linearidade e as características residuais do transformador mencionadas posteriormente também estão intimamente relacionadas ao material do núcleo de ferro.
Analisando os dados na Tabela 1, tanto a liga nanocristalina quanto a Metglas têm a maior permeabilidade magnética. No entanto, a Metglas tem uma intensidade de indução de saturação relativamente baixa e também é cara no mercado. Considerando de forma abrangente, preferimos selecionar a liga nanocristalina como material. A sensibilidade do transformador não é apenas proporcional à permeabilidade magnética do núcleo de ferro, mas também tem uma relação direta com a forma do núcleo de ferro e o comprimento do circuito magnético.
Geralmente, além de usar materiais de alta permeabilidade para o núcleo de ferro para aumentar a sensibilidade do transformador, também tentamos encurtar o circuito magnético do núcleo de ferro o máximo possível para reduzir o vazamento magnético e garantir a taxa de utilização do núcleo de ferro. Em circunstâncias normais, um núcleo de ferro circular tem o circuito magnético mais curto. No entanto, como os três condutores primários trifásicos do disjuntor de pólo ao ar livre estão dispostos lado a lado em uma linha, quando o espaço permitir, o núcleo de ferro deve ser projetado como uma elipse com base na disposição e no espaçamento dos três condutores primários trifásicos do disjuntor. A forma do transformador e sua relação posicional com o condutor primário são mostradas na Figura 1.
O transformador de corrente residual deve ser capaz de responder rapidamente a estados anormais de vazamento no circuito e fornecer um sinal de tensão ação para o dispositivo de proteção por microcomputador. O transformador deve ter boa linearidade para refletir verdadeiramente o estado operacional do circuito. Linearidade refere-se à razão entre a mudança na corrente de entrada e a mudança na tensão de saída do transformador ser constante, conforme mostrado na Figura 2.
A sensibilidade do transformador está apenas relacionada à permeabilidade magnética do núcleo de ferro. Portanto, determinar o material do núcleo de ferro usado no transformador é de crucial importância. A linearidade e as características residuais do transformador mencionadas posteriormente também estão intimamente relacionadas ao material do núcleo de ferro.
No circuito, a corrente operacional primária mínima do disjuntor geralmente é exigida para ser inferior a 10A. Portanto, geralmente é exigido que, quando a corrente primária do transformador for inferior a 10A, a melhor razão entre a mudança na corrente de entrada e a mudança na tensão de saída do transformador seja linear, para atender aos requisitos de uso. O requisito de linearidade do transformador precisa ser testado repetidamente.
Com uma certa permeabilidade magnética do núcleo de ferro e carga secundária, a tensão de saída do transformador é garantida para mudar linearmente ajustando a área seccional do núcleo de ferro ou o número de espiras secundárias. No entanto, em circuitos reais, frequentemente existem outros fatores que afetam o transformador, impedindo-o de fornecer um sinal de tensão preciso para o dispositivo de proteção por microcomputador.
Ao instalar o transformador, é necessário colocá-lo sobre os três condutores trifásicos dispostos lado a lado em uma linha. Quando o condutor primário passa a corrente nominal, o transformador de corrente residual será interferido pelos campos magnéticos gerados pelas correntes trifásicas simultaneamente, e a densidade de fluxo magnético local do núcleo de ferro aumentará. Se a parte local do núcleo de ferro ficar super-saturada, a linearidade do transformador piorará, afetando seriamente a magnitude da tensão de saída secundária. Como resultado, a proteção por microcomputador pode falhar ou não funcionar.
Durante a operação real, após o transformador de corrente residual ser impactado por uma corrente de defeito de aterramento em larga escala, e após a ação de proteção ser concluída e a alimentação ser restaurada para operação contínua, se os parâmetros técnicos do transformador não puderem retornar ao estado antes do impacto, ou seja, houver magnetismo residual no núcleo de ferro do transformador, isso afetará seriamente a ação precisa do protetor contra vazamentos na próxima vez.
Ao projetar este transformador de corrente residual, os seguintes pontos devem ser observados:
O núcleo de ferro é preferencialmente feito de liga nanocristalina com alta permeabilidade magnética e baixo magnetismo residual. Este material tem boas características de sobrecarga e pode facilmente retornar ao estado magnético inicial sob impacto de corrente excessiva. A tensão residual do transformador pode ser controlada e detectada para não ser muito grande simulando a passagem de várias correntes de defeito de aterramento no lado primário. No entanto, a tensão residual do transformador geralmente aumenta com o aumento da corrente primária nominal. Mas após o núcleo de ferro atingir a saturação magnética, a tensão residual no lado secundário do transformador aumentará drasticamente.
Ao projetar o transformador, para minimizar a influência da corrente primária no valor de tensão residual do transformador de corrente residual, ao escolher liga nanocristalina com alta permeabilidade magnética e baixo magnetismo residual para fazer o núcleo de ferro, medidas como aumentar apropriadamente a área seccional do núcleo de ferro ou reduzir a resistência interna da bobina secundária podem ser tomadas conjuntamente para reduzir a tensão residual do transformador de corrente residual.
