Характеристики производительности и конструктивное оформление наружных опорных вакуумных выключателей
С 2009 по 2010 год Государственная сеть находилась на стадии пилотного планирования умной сети, сосредоточившись на разработке плана развития мощной умной сети, проведении исследований и разработок ключевых технологий, производства оборудования и реализации пилотных проектов в различных областях. Период с 2011 по 2015 год ознаменовался этапом полномасштабного строительства, в ходе которого была сформирована операционная система управления и интерактивного обслуживания умной сети, достигнуты значительные прорывы в ключевых технологиях и оборудовании, что привело к их широкому применению.
С 2016 по 2020 год началась стадия лидерства и модернизации, когда была полностью создана единая и мощная умная сеть, а технологии и оборудование достигли международного передового уровня. К этому времени способность сети оптимизировать распределение ресурсов значительно улучшилась. Для достижения целей национальной умной сети, внешние опорные вакуумные выключатели, установленные на основных электросетях, должны обеспечивать микропроцессорную интеллектуальную защиту с высокой чувствительностью, что означает низкое минимальное значение первичного рабочего тока.
Поэтому, помимо оснащения каждого из трех фаз отдельным трансформатором тока для дифференциальной защиты, внешние опорные вакуумные выключатели также должны быть оснащены трансформаторами остаточного тока для микропроцессорной защиты, чтобы обеспечить точную защиту от утечек для микропроцессора. Традиционные трансформаторы остаточного тока имеют большие размеры, тяжелый вес и низкую точность.
Под влиянием таких факторов, как ограниченное пространство для установки и длинные вторичные цепи, они не могут удовлетворять требованиям микропроцессорной защиты для внешних опорных вакуумных выключателей. В настоящее время все внешние выключатели, которые соответствуют требованиям национальной умной сети, производятся иностранными предприятиями, что приводит к высоким затратам. Для адаптации к требованиям развития национальной умной сети необходимо разработать внешние выключатели, соответствующие потребностям национальной умной сети.
В настоящее время основным техническим вызовом, который нам нужно решить, является разработка трансформаторов остаточного тока для микропроцессорной защиты, которые можно использовать совместно с этими выключателями, удовлетворяя требованиям установки в малых пространствах, высокочувствительной микропроцессорной защиты от утечек и точной работы, и в первую очередь достичь локализации трансформаторов остаточного тока для микропроцессорной защиты.
Применение и технические требования к трансформаторам остаточного тока для микропроцессорной защиты
Трансформатор остаточного тока (нулевого последовательного тока) — это специализированный трансформатор тока, предназначенный для преобразования остаточного тока (нулевого последовательного тока). Он используется для однофазной заземляющей защиты в системах с изолированной нейтралью. Все три фазных проводника одновременно проходят через окно сердечника трансформатора, служа первичной обмоткой трансформатора.
При нормальной работе системы векторная сумма трехфазных токов равна нулю, и на вторичной стороне трансформатора остаточного тока нет выхода. При возникновении однофазного заземления на определенной линии первичный ток трансформатора остаточного тока достигает минимального рабочего тока реле или микропроцессорной защиты, что вызывает срабатывание защитного устройства.
В противном случае он остается неактивным. В традиционных трансформаторах остаточного тока вторичная сторона напрямую подключена к реле. Поскольку число витков первичной обмотки трансформатора обычно равно 1, число витков вторичной обмотки очень мало. Минимальный первичный рабочий ток традиционных трансформаторов остаточного тока обычно составляет от 2,4 А до 10 А, а номинальный первичный ток традиционных трансформаторов остаточного тока, как правило, выбирается в диапазоне от 15 А до 300 А. Для удовлетворения требований точности площадь поперечного сечения сердечника трансформатора проектируется относительно большой, что приводит к большим размерам, тяжелому весу, низкой точности и малой вторичной нагрузке.
При токе короткого замыкания менее 2,4 А ток, выдаваемый традиционным трансформатором, недостаточен для активации реле, создавая "мертвую зону". Поэтому, чтобы трансформатор мог обеспечивать точную защиту микропроцессора в широком диапазоне рабочих токов без "мертвой зоны", необходимо спроектировать специальный трансформатор остаточного тока, который можно использовать совместно с микропроцессорной защитой.
Из-за ограничений пространства для установки выключателя, специальный трансформатор остаточного тока, используемый с микропроцессорной защитой, должен быть компактным и легким, а также требовать высокоточного вторичного выхода и большой вторичной нагрузки. Обычно первичный рабочий ток трансформатора должен находиться в пределах от 0,2 А до 10 А. Если трансформатор может обеспечить хорошую линейность и чувствительность при большом вторичном выходе, он сможет удовлетворить требованиям микропроцессорной защиты и избежать возникновения "мертвой зоны".
Конструктивное проектирование трансформаторов остаточного тока для микропроцессорной защиты
Выбор параметров номинальной нагрузки трансформатора
Внешние опорные вакуумные выключатели обычно устанавливаются на открытом воздухе и находятся далеко от поддерживающих автоматических устройств. Однако нагрузка, необходимая для самой микропроцессорной защиты, очень мала. При проектировании трансформатора остаточного тока номинальная нагрузка в основном учитывает нагрузку вторичной цепи трансформатора. Поскольку устройство микропроцессорной защиты обычно находится далеко от опорного выключателя, установленного на открытом воздухе, номинальная нагрузка трансформатора, как правило, выбирается относительно большой, с максимальным значением около 200 Ом (эта нагрузка может быть определена в соответствии с фактическим состоянием пользователя).
Выбор числа витков первичной и вторичной обмоток, формы и материала сердечника
Трансформаторы остаточного тока для микропроцессорной защиты требуют чрезвычайно высокой чувствительности и должны быстро и точно реагировать. Чувствительность означает способность вторичной обмотки трансформатора реагировать на ток утечки, которая может быть описана следующим образом: при определенном количестве тока утечки, чем выше индуцированное электродвижущее усилие различных трансформаторов, тем выше их чувствительность.
Чувствительность связана с числом витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Чем больше витков во вторичной обмотке, тем выше чувствительность. Трансформатор остаточного тока непосредственно устанавливается на трехфазных первичных проводниках, и первичный провод является защищаемой линией, с числом первичных витков, равным 1. Увеличение числа первичных витков непрактично.
Индуктивное электродвижущее усилие вторичной обмотки, U2 = 4,44f · N2 · μ · I1 · S, где:
I1 представляет собой номинальный первичный ток.
S — площадь поперечного сечения железного сердечника.
μ — магнитная проницаемость.
f — частота.
N2 — число витков вторичной обмотки.
Как видно из формулы, из-за ограничений места установки трансформатора, его внешние размеры не могут быть очень большими. Таким образом, площадь поперечного сечения железного сердечника трансформатора относительно мала. Чтобы повысить чувствительность трансформатора, необходимо либо увеличить число витков вторичной обмотки, либо улучшить магнитную проницаемость железного сердечника трансформатора.
Номинальный первичный ток внешних выключателей, как правило, составляет 630 А или меньше. Учитывая малую площадь поперечного сечения железного сердечника трансформатора, чтобы обеспечить высокую чувствительность, экспериментально число витков вторичной обмотки обычно устанавливается в пределах от 1500 до 2000 витков. Конкретное число витков может быть определено в зависимости от вторичной нагрузки и вторичного выходного напряжения трансформатора, требуемого микропроцессором.
После определения площади поперечного сечения железного сердечника, числа витков и вторичной нагрузки, параметр, влияющий на вторичное индуцированное электродвижущее усилие (то есть чувствительность) трансформатора, связан только с магнитной проницаемостью железного сердечника. Следовательно, определение материала железного сердечника, используемого в трансформаторе, имеет решающее значение. Линейность и остаточные характеристики трансформатора, упомянутые ниже, также тесно связаны с материалом железного сердечника.
Анализируя данные в таблице 1, как нанокристаллический сплав, так и Metglas имеют наивысшую магнитную проницаемость. Однако Metglas имеет относительно низкую насыщенность индукции и также дорог на рынке. Учитывая все, мы предпочитаем выбирать нанокристаллический сплав в качестве материала. Чувствительность трансформатора прямо пропорциональна магнитной проницаемости железного сердечника, но также имеет прямое отношение к форме железного сердечника и длине магнитного контура.
Обычно, кроме использования материалов с высокой магнитной проницаемостью для железного сердечника, чтобы повысить чувствительность трансформатора, мы также стараемся максимально сократить магнитный контур железного сердечника, чтобы уменьшить магнитные потери и обеспечить использование железного сердечника. В обычных условиях круглый железный сердечник имеет самый короткий магнитный контур. Однако, поскольку трехфазные первичные проводники внешнего опорного выключателя расположены бок о бок в одну линию, при наличии места железный сердечник следует проектировать в виде эллипса, исходя из формы и расстояния между трехфазными первичными проводниками выключателя. Форма трансформатора и его положение относительно первичного проводника показаны на рисунке 1.
Трансформатор остаточного тока должен быстро реагировать на аномальные состояния утечки в цепи и предоставлять действующее напряжение сигнал микропроцессорному устройству защиты. Трансформатор должен иметь хорошую линейность, чтобы точно отражать состояние работы цепи. Линейность означает, что отношение изменения входного тока к изменению выходного напряжения трансформатора является постоянным, как показано на рисунке 2.
Трансформатора связан только с магнитной проницаемостью железного сердечника. Следовательно, определение материала железного сердечника, используемого в трансформаторе, имеет решающее значение. Линейность и остаточные характеристики трансформатора, упомянутые ниже, также тесно связаны с материалом железного сердечника.
В цепи минимальный первичный рабочий ток выключателя обычно требуется ниже 10 А. Поэтому, как правило, требуется, чтобы при первичном токе трансформатора ниже 10 А, лучше всего было бы, если отношение изменения входного тока к изменению выходного напряжения трансформатора было линейным, что удовлетворяет требованиям использования. Требование линейности трансформатора требует повторных испытаний.
При определенной магнитной проницаемости железного сердечника и вторичной нагрузке, линейное изменение выходного напряжения трансформатора обеспечивается путем регулировки площади поперечного сечения железного сердечника или числа вторичных витков. Однако в реальных цепях часто есть другие факторы, которые влияют на то, чтобы трансформатор мог предоставить точный напряженный сигнал микропроцессорному устройству защиты.
При установке трансформатора его нужно надевать на трехфазные проводники, расположенные бок о бок в одну линию. Когда первичный проводник проходит номинальный ток, трансформатор остаточного тока будет подвергаться воздействию магнитных полей, создаваемых трехфазными токами, и местная плотность магнитного потока в железном сердечнике увеличится. Если местная часть железного сердечника перенасыщена, линейность трансформатора ухудшится, что серьезно повлияет на величину вторичного выходного напряжения. В результате микропроцессорная защита может сработать неправильно или вообще не сработать.
Во время фактической работы, после того, как трансформатор остаточного тока подвергся воздействию крупномасштабного тока заземления, и после завершения действия защиты и восстановления питания для продолжения работы, если технические параметры трансформатора не могут вернуться в состояние до воздействия, то есть, если в железном сердечнике трансформатора есть остаточная магнитность, это серьезно повлияет на точное действие устройства защиты от утечек в следующий раз.
При проектировании этого трансформатора остаточного тока следует обратить внимание на следующие моменты:
Железный сердечник предпочтительно должен быть изготовлен из нанокристаллического сплава с высокой магнитной проницаемостью и низкой остаточной магнитностью. Этот материал имеет хорошие перегрузочные характеристики и легко возвращается к начальному магнитному состоянию при воздействии перегрузочного тока. Остаточное напряжение трансформатора можно контролировать и проверять, чтобы оно не было слишком большим, моделируя прохождение различных токов заземления на первичной стороне. Однако остаточное напряжение трансформатора, как правило, увеличивается с увеличением номинального первичного тока. Но после достижения железным сердечником магнитного насыщения, остаточное напряжение на вторичной стороне трансформатора резко возрастет.
При проектировании трансформатора, чтобы минимизировать влияние первичного тока на значение остаточного напряжения трансформатора остаточного тока, при выборе нанокристаллического сплава с высокой магнитной проницаемостью и низкой остаточной магнитностью для изготовления железного сердечника, можно принять совместные меры, такие как увеличение площади поперечного сечения железного сердечника или уменьшение внутреннего сопротивления вторичной обмотки, чтобы снизить остаточное напряжение трансформатора остаточного тока.
