Performanse karakteristike i konstruktivni dizajn spoljašnjih stubašnih vakuumskih prekidača
Od 2009. do 2010. godine, Državna mreža je bila u fazi pilota planiranja pametne mreže, fokusirana na razvoj plana za jačanje pametne mreže, istraživanje i razvoj ključnih tehnologija, proizvodnju opreme i sprovođenje pilot projekata u različitim sektorima. Period od 2011. do 2015. godine označio je fazu masovne konstrukcije, tijekom koje je inicijalno formiran operativni kontrolni i interaktivni servisni sistem za pametnu mrežu, postignuti su značajni napredak u ključnim tehnologijama i opremi, što je dovelo do njihove šire primene.
Od 2016. do 2020. godine, ulazak u fazu vodstva i unapređenja, sa unificiranom i jačom pametnom mrežom potpuno uspostavljene, tehnologije i oprema dostigle su međunarodno napredne nivoe. Tada će sposobnost mreže da optimizuje raspodelu resursa biti značajno poboljšana. Da bi se odgovorilo na ciljeve nacionalne pametne mreže, vanjski stubni vakuumski prekidači instalirani na glavnim električnim mrežama trebaju postići mikrokompjutersku inteligentnu zaštitu visoke osetljivosti, što znači nisku minimalnu vrednost primarne radne struje.
Stoga, pored toga što svaka od tri faze ima poseban transformator struje za diferencijalnu zaštitu, vanjskim stubnim vakuumskim prekidačima takođe treba biti opremljeni ostaci strujnih transformatora za mikrokompjutersku zaštitu kako bi pružili preciznu zaštitu od curenja za mikrokompjuter. Tradicionalni ostaci strujnih transformatora su veliki, teški i niskog stepena tačnosti.
Pod uticajem faktora kao što su ograničeni prostor za montažu i duge sekundarne vode, oni teško mogu da ispunjavaju zahteve mikrokompjuterske zaštite za vanjske stubne vakuumski prekidače. Trenutno, svi vanjski prekidači koji mogu da ispunjavaju zahteve nacionalne pametne mreže proizvodi su stranih preduzeća, što dovodi do visokih troškova. Da bi se prilagodilo zahtevima razvoja nacionalne pametne mreže, neophodno je razviti vanjske prekidače koji ispunjavaju potrebe nacionalne pametne mreže.
Trenutno, glavni tehnički izazov koji moramo rešiti jeste razvoj ostaci strujnih transformatora za mikrokompjutersku zaštitu koji mogu da se koriste uz ove prekidače, ispunjavajući zahteve za montažu u malim prostorima, visokoosetljivu mikrokompjutersku zaštitu od curenja i tačnu operaciju, i prvo postići lokalizaciju ostaci strujnih transformatora za mikrokompjutersku zaštitu.
Primene i zahtevi performansi ostaci strujnih transformatora za mikrokompjutersku zaštitu
Ostaci strujni transformator (nula-sekvencijski transformator struje) je specijalizovan transformator struje dizajniran za transformaciju ostatka struje (nula-sekvencijske struje). Koristi se za jednofaznu zaštitu od zemljanja u neutralno izolovanim sistemima. Tri faze provodnika prolaze kroz okvir transformatora istovremeno, služeći kao primarna obmotka transformatora.
Kada sistem normalno radi, fazni zbir tri faze struje je nula, i ne postoji izlaz sa sekundarne strane ostaci strujnog transformatora. Kada se dogodi jednofazno zemljanje na određenoj liniji, primarna struja ostaci strujnog transformatora dostiže minimalnu radnu struju releja ili mikrokompjuterske zaštite, što aktivira uređaj za zaštitu.
Inače, ostaje neaktiviran. U tradicionalnim ostaci strujnim transformatorima, sekundarna strana direktno povezana je sa relejem. Budući da broj zavojaka u primarnoj obmotci transformatora obično iznosi 1, broj zavojaka u sekundarnoj obmotci je vrlo mali. Minimalna primarna radna struja tradicionalnih ostaci strujnih transformatora obično se nalazi između 2,4A i 10A, a nominalna primarna struja tradicionalnih ostaci strujnih transformatora obično se bira u opsegu od 15A do 300A. Da bi se ispunili zahtevi za tačnošću, presječna površina jezgra transformatora dizajnirana je da bude relativno velika, što dovodi do velikih dimenzija, težine, niske tačnosti i male sekundarne opterećenosti.
Kada je greška struje manja od 2,4A, struja koju daje tradicionalni transformator nije dovoljna da aktivira relej, stvarajući "mrtvu zonu". Stoga, kako bi se omogućilo da transformator pruža tačnu zaštitu za mikrokompjuter u širokom rasponu radnih struja bez "mrtve zone", potrebno je dizajnirati specijalni ostaci strujni transformator koji može da se koristi uz mikrokompjutersku zaštitu.
Ograničen rastojanjem za montažu prekidača, specijalni ostaci strujni transformator koji se koristi uz mikrokompjutersku zaštitu, ne samo da mora biti malih dimenzija i lak, već takođe zahteva visoku tačnost sekundarnog izlaza i veliku sekundarnu opterećenost. Obično, primarna radna struja transformatora treba da bude između 0,2A i 10A. Ako transformator može da osigura dobri linearnost i osetljivost pod uslovima velike sekundarne opterećenosti, može ispuniti zahteve mikrokompjuterske zaštite i izbegne pojavu "mrtve zone".
Strukturni dizajn ostaci strujnih transformatora za mikrokompjutersku zaštitu
Izbor nominalne opterećenosti parametara transformatora
Vanjski stubni vakuumski prekidači obično su instalirani vani i udaljeni su od podržavajućih automatskih uređaja. Međutim, opterećenje zahtevano od mikrokompjuterske zaštite samim po sebi je vrlo nisko. Pri dizajniranju ostaci strujnog transformatora, nominalna opterećenost uglavnom uzima u obzir opterećenje sekundarne vode transformatora. Budući da je mikrokompjuterski uređaj za zaštitu obično udaljen od stubnog prekidača instaliranog vani, nominalna opterećenost transformatora obično se bira da bude relativno velika, sa maksimalnom do oko 200Ω (ova opterećenost se može odrediti prema stvarnoj situaciji korisnika).
Izbor broja zavojaka primarne i sekundarne obmotke, oblika i materijala jezgra
Ostaci strujni transformatori za mikrokompjutersku zaštitu zahtevaju izuzetno visoku osetljivost i moraju brzo i tačno odgovarati. Osetljivost se odnosi na sposobnost sekundarne obmotke transformatora da odgovori na struju curenja, što se može opisati ovako: pod određenom količinom struje curenja, što je veći inducirani elektromotorni napon različitih transformatora, to je viša njihova osetljivost.
Osetljivost je vezana za broj zavojaka primarne i sekundarne obmotke transformatora. Što je više zavojaka u sekundarnoj obmotci, to je viša osetljivost. Ostaci strujni transformator direktno je instaliran na tri faze primarnih provodnika, a primarni provodnik je zaštićena linija, sa brojem primarnih zavojaka 1. Povećanje broja primarnih zavojaka nije praktično.
Inducirani elektromotorni napon sekundarne obmotke, U2=4,44f⋅N2⋅μ⋅I1⋅S, gde:
I1 predstavlja nominalnu primarnu struju.
S je presječna površina jezgra.
μ je magnetna prozirnost.
f je frekvencija.
N2 je broj zavojaka sekundarne obmotke.
Kao što se može vidjeti iz formule, zbog ograničenja položaja montaže transformatora, spoljne dimenzije transformatora ne mogu biti vrlo velike. Dakle, presječna površina jezgra transformatora je relativno mala. Da bi se povećala osetljivost transformatora, potrebno je ili povećati broj zavojaka sekundarne obmotke ili poboljšati magnetnu prozirnost jezgra transformatora.
Nominalna primarna struja vanjskih prekidača gotovo uvijek iznosi 630A ili manje. Zbog male presječne površine jezgra transformatora, kako bi se osigurala visoka osetljivost, eksperimentima se broj zavojaka sekundarne obmotke obično inicijalno postavlja između 1500 i 2000 zavojaka. Konkretni broj zavojaka može se odrediti prema sekundarnoj opterećenosti i sekundarnom izlaznom naponu transformatora zahtevanom od mikrokompjutera.
Kada se presječna površina jezgra, broj zavojaka i sekundarna opterećenost odrede, parametar koji utiče na inducirani elektromotorni napon (tj. osetljivost) transformatora je samo vezan za magnetnu prozirnost jezgra. Stoga, određivanje materijala jezgra koji se koristi u transformatoru ima ključno značenje. Linearnost i rezidualne karakteristike transformatora, kasnije spomenute, takođe su tesno vezane za materijal jezgra.
Analizirajući podatke u Tabeli 1, i nanokristalni leguran i Metglas imaju najveću magnetnu prozirnost. Međutim, Metglas ima relativno nisku indukciju nasycenja i takođe je skup na tržištu. Uzimajući sve u obzir, preferiramo nanokristalni leguran kao materijal.Osetljivost transformatora nije samo direktno proporcionalna magnetnoj prozirnosti jezgra, već ima i direktnu vezu s oblikom jezgra i dužinom magnetske cirkuiture.
Obično, osim upotrebe materijala visoke magnetne prozirnosti za jezgro kako bi se povećala osetljivost transformatora, pokušavamo što više skratiti magnetsku cirkuituru jezgra kako bismo smanjili magnetsko curenje i osigurali iskoristivost jezgra. Pod normalnim uslovima, kružno jezgro ima najkraću magnetsku cirkuituru. Međutim, budući da su tri faze primarnih provodnika vanjskog stubnog prekidača raspoređeni jedan pored drugog u liniju, kada prostor dozvoljava, jezgro treba dizajnirati kao elipsa na osnovu rasporeda i razmaka tri faze primarnih provodnika prekidača. Oblik transformatora i njegov pozicioni odnos sa primarnim provodnikom prikazan je na Slici 1.
Ostaci strujni transformator treba da brzo odgovori na abnormalne stanje curenja u cirkuitu i pruži akcionabilni naponski signal mikrokompjuterskom uređaju za zaštitu. Transformator mora imati dobri linearnost kako bi tačno odražavao radni status cirkuita. Linearnost se odnosi na omjer promene ulazne struje i promene izlaznog napona transformatora koji je konstantan, kao što je prikazano na Slici 2.
parametar koji utiče na inducirani elektromotorni napon (tj. osetljivost) transformatora je samo vezan za magnetnu prozirnost jezgra. Stoga, određivanje materijala jezgra koji se koristi u transformatoru ima ključno značenje. Linearnost i rezidualne karakteristike transformatora, kasnije spomenute, takođe su tesno vezane za materijal jezgra.
U cirkuitu, minimalna primarna radna struja prekidača obično treba da bude ispod 10A. Stoga, obično se zahteva da kada je primarna struja transformatora ispod 10A, bolji omjer promene ulazne struje i promene izlaznog napona transformatora linearan, to više ispunjava zahteve za korišćenje. Zahtev za linearnost transformatora zahteva ponovljeno testiranje.
Pod uslovom određene magnetne prozirnosti jezgra i sekundarne opterećenosti, izlazni napon transformatora se osigurava da se menja linearno prilagođavanjem presječne površine jezgra ili broja sekundarnih zavojaka. Međutim, u stvarnim cirkuitima, često postoje i drugi faktori koji utiču na to da transformator ne pruža tačan naponski signal mikrokompjuterskom uređaju za zaštitu.
Kada se transformator instalira, potrebno ga je staviti na tri faze provodnika raspoređene jedan pored drugog u liniju. Kada primarni provodnik prođe nominalnu struju, ostaci strujni transformator će biti perturbiran magnetskim poljima generisanim tri faze struje, a lokalna gustoća magnetskog toka jezgra će se povećati. Ako se lokalni deo jezgra prenasitio, linearnost transformatora će se pogoršati, teško utičući na magnitudu sekundarnog izlaznog napona. To može dovesti do nepravilnog funkcionisanja mikrokompjuterske zaštite ili nedostatka operacije.
Tokom stvarne operacije, nakon što ostaci strujni transformator bude izložen velikom strujnom toku zemljanja, i nakon što je završena akcija zaštite i vratila se snabdevanje strujom za nastavak operacije, ako tehnički parametri transformatora ne mogu da se vrate u stanje pre izlaganja, tj. ako postoji rezidualni magnetizam u jezgru transformatora, to će teško uticati na tačnu akciju zaštite od curenja sledeći put.
Pri dizajniranju ovog ostaci strujnog transformatora, treba imati na umu sledeće:
Jezgro bi trebalo da se napravi od nanokristalnog legurana sa visokom magnetnom prozirnošću i niskim rezidualnim magnetizmom. Ovaj materijal ima dobra preopterećenja i lako može vratiti na početno magnetsko stanje pod uticajem preopterećenja strujom. Rezidualna naponska razlika transformatora može se kontrolisati i detektovati da ne bude prevelika simulacijom prolaženja različitih struja zemljanja na primarnoj strani. Međutim, rezidualna naponska razlika transformatora obično raste s porastom nominalne primarne struje. Ali nakon što je jezgro dosegnulo magnetsko nasycenje, rezidualna naponska razlika na sekundarnoj strani transformatora će se brzo povećati.
Pri dizajniranju transformatora, kako bi se smanjio uticaj primarne struje na vrijednost rezidualne naponske razlike ostaci strujnog transformatora, kada se bira nanokristalni leguran sa visokom magnetnom prozirnošću i niskim rezidualnim magnetizmom za izradu jezgra, zajednički se mogu poduzeti mjere poput povećanja presječne površine jezgra ili smanjenja internog otpora sekundarne obmotke kako bi se smanjila rezidualna naponska razlika ostaci strujnog transformatora.
