Çevresel direk monte vakum devre kesicilerinin performans özellikleri ve yapısal tasarımı
2009 ile 2010 yılları arasında, Devlet Şebekesi akıllı şebeke planlamasının pilot aşamasındaydı, güçlü akıllı şebeke geliştirme planını oluşturma, kilit teknolojilerin ve ekipmanların araştırma-geliştirilmesi ve çeşitli sektörlerde pilot projeler yürütme odaklıydı. 2011-2015 dönemi, kapsamlı inşaat aşamasını işaret etti, bu dönemde akıllı şebekenin operasyon kontrolü ve etkileşimli hizmet sistemi ilk olarak oluşturuldu ve kilit teknolojilerde ve ekipmanlarda önemli ilerlemeler sağlandı, bu da onların geniş çapta uygulanmasına yol açtı.
2016-2020 döneminde, liderlik ve yükseltme aşamasına girdi, birleşik ve güçlü bir akıllı şebeke tamamen kuruldu ve teknolojiler ve ekipmanlar uluslararası gelişmiş seviyeye ulaştı. Bu dönemde, şebeke kaynakları optimizasyonu yeteneği büyük ölçüde iyileştirildi. Ulusal akıllı şebeke gelişim hedeflerine yanıt vermek için, ana elektrik şebekelerine monte edilen dış direk tipi vakum devre kesiciler, yüksek hassasiyetli mikrobilgisayar tabanlı koruma ile düşük minimum birincil işletme akımı değerini sağlamalıdır.
Bu nedenle, üç fazın her birinin diferansiyel koruma için ayrı bir akım transformatörüne sahip olması yanı sıra, dış direk tipi vakum devre kesiciler de mikrobilgisayar koruması için arta kalan akım transformatörleriyle donatılmalıdır, böylece mikrobilgisayar için hassas sızıntı koruması sağlanır. Geleneksel arta kalan akım transformatörleri, boyutları büyük, ağırlıkları ağır ve doğrulukları düşüktür.
Montaj alanının sınırlı olması ve ikincil uzun bağlantı hatları gibi faktörler etkisiyle, dış direk tipi vakum devre kesiciler için mikrobilgisayar koruması gereksinimlerini karşılamakta zorlanırlar. Şu anda, ulusal akıllı şebekeye uygun tüm dış devre kesiciler yabancı sermayeli şirketler tarafından üretilmekte olup, bu durum yüksek maliyetlere yol açmaktadır. Ulusal akıllı şebeke gelişim gereksinimlerine uyum sağlamak için, ulusal akıllı şebekeye uygun dış devre kesicilerin geliştirilmesi gerekir.
Şu an, çözmemiz gereken temel teknik zorluk, bu devre kesicilerle birlikte kullanılacak, küçük alanlarda monte edilebilme, yüksek hassasiyetli sızıntı mikrobilgisayar koruması ve doğru çalışmayı sağlayacak arta kalan akım transformatörlerini geliştirmektir, ve öncelikle mikrobilgisayar koruması için arta kalan akım transformatörlerinin yerelleştirilmesi sağlanmasıdır.
Mikrobilgisayar Koruması İçin Arta Kalan Akım Transformatörlerinin Uygulamaları ve Performans Gereksinimleri
Arta kalan akım transformatörü (sıfır sıralı akım transformatörü), arta kalan akımı (sıfır sıralı akımı) dönüştürmek üzere tasarlanmış özel bir akım transformatörüdür. Nötr yalıtılmış sistemlerde tek fazda yerleşme korumasında kullanılır. Üç faz kabloları aynı anda transformatör çekirdeğinin penceresinden geçirilir, bu şekilde transformatörün birincil bobini olarak hizmet görür.
Sistem normal olarak çalışırken, üç faz akımlarının fazör toplamı sıfırdır ve arta kalan akım transformatörünün ikincil tarafından hiçbir çıkış yoktur. Belirli bir hatta tek fazda yerleşme arızası olduğunda, arta kalan akım transformatörünün birincil akımı röle veya mikrobilgisayar korumasının minimum işletme akımına ulaşır, bu da koruma cihazının harekete geçmesine neden olur.
Aksi takdirde, aktif kalır. Geleneksel arta kalan akım transformatörlerinde, ikincil taraf doğrudan bir röl ile bağlantılıdır. Transformatörün birincil bobin sarım sayısı genellikle 1 olduğu için, ikincil bobin sarım sayısı çok küçüktür. Geleneksel arta kalan akım transformatörlerinin minimum birincil işletme akımı çoğunlukla 2.4A ile 10A arasındadır ve geleneksel arta kalan akım transformatörlerinin belirlenmiş birincil akımı genellikle 15A ile 300A arasındadır. Doğruluk gereksinimlerini karşılamak için, transformatör çekirdeğinin kesit alanı nispeten büyük tasarlanır, bu da büyük boyut, ağır ağırlık, düşük doğruluk ve küçük ikincil yük sonucunu verir.
Arızalı akım 2.4A'nın altında olduğunda, geleneksel transformatörün çıktısı rölün tetiklenmesi için yeterli olmaz, bu da bir "ölü bölge" oluşturur. Bu nedenle, mikrobilgisayar için geniş bir işletme akımı aralığında "ölü bölge" olmadan doğru koruma sağlayabilmesi için, mikrobilgisayar korumasıyla birlikte kullanılacak özel bir arta kalan akım transformatörünün tasarlanması gerekir.
Devre kesicinin montaj alanına bağlı olarak, mikrobilgisayar korumasıyla birlikte kullanılacak özel arta kalan akım transformatörü, sadece küçük boyutlu ve hafif olması değil, aynı zamanda yüksek doğruluklu ikincil çıkış ve büyük ikincil yük gerektirir. Genellikle, transformatörün birincil işletme akımı 0.2A ile 10A arasında olmalıdır. Eğer transformatör, büyük ikincil yük çıkışı koşulu altında iyi doğrusallık ve hassasiyet sağlayabilirse, mikrobilgisayar koruması gereksinimlerini karşılayabilir ve "ölü bölge" oluşmasını önleyebilir.
Mikrobilgisayar Koruması İçin Arta Kalan Akım Transformatörlerinin Yapısal Tasarımı
Transformatörün Nominal Yük Parametrelerinin Seçimi
Dış direk tipi vakum devre kesiciler genellikle dışarıda monte edilir ve destekleyici otomasyon cihazlarından uzaktadır. Ancak, mikrobilgisayar korumasının kendisi için gereken yük çok düşüktür. Arta kalan akım transformatörünü tasarırken, nominal yük genellikle transformatörün ikincil bağlantı hatlarının yükünü dikkate alır. Mikrobilgisayar koruma cihazı genellikle dışarıda monte edilmiş direk tipi devre kesiciden uzak olduğundan, transformatörün nominal yükü genellikle oldukça büyük seçilir, maksimum yaklaşık 200Ω (bu yük kullanıcıya göre belirlenebilir).
Birincil ve İkincil Bobin Sarım Sayısının, Çekirdek Şeklinin ve Malzemenin Seçimi
Mikrobilgisayar koruması için arta kalan akım transformatörleri, çok yüksek hassasiyete ihtiyaç duyar ve hızlı ve doğru bir şekilde tepki vermelidir. Hassasiyet, transformatörün ikincil bobininin sızıntı akımına tepki verme yeteneğini ifade eder, bu şu şekilde açıklanabilir: belirli bir sızıntı akımı altında, farklı transformatörlerin indüklenmiş elektromotiv kuvveti ne kadar yüksekse, o kadar hassas olurlar.
Hassasiyet, transformatörün birincil ve ikincil bobin sarım sayısına bağlıdır. İkincil bobin sarım sayısı ne kadar fazlaysa, hassasiyet o kadar yüksektir. Arta kalan akım transformatörü doğrudan üç faz birincil iletkenlerine monte edilir ve birincil tel korunan hat olup, birincil sarım sayısı 1'dir. Birincil sarım sayısını artırmak pratik değildir.
İkincil bobin indüklenmiş elektromotiv kuvveti, U2=4.44f⋅N2⋅μ⋅I1⋅S, burada:
I1, belirlenmiş birincil akımı temsil eder.
S, demir çekirdeğin kesit alanıdır.
muis manyetik geçirgenliktir.
f, frekansıdır.
N2, ikincil bobin sarım sayısını temsil eder.
Formülün gösterdiği gibi, transformatörün montaj konumu sınırlamaları nedeniyle, transformatörün dış boyutları çok büyük olamaz. Bu nedenle, transformatörün demir çekirdeğinin kesit alanı nispeten küçüktür. Transformatörün hassasiyetini artırmak için, ya ikincil bobin sarım sayısını artırılması ya da transformatörün demir çekirdeğinin manyetik geçirgenliğini artırmak gerekir.
Dış devre kesicilerin belirlenmiş birincil akımı genellikle 630A veya daha azdır. Demir çekirdeğin küçük kesit alanına rağmen, yüksek hassasiyeti sağlamak için deneyler sonucunda, ikincil bobin sarım sayısı genellikle 1500 ile 2000 arasında ayarlanır. Spesifik sarım sayısı, ikincil yük ve mikrobilgisayar tarafından gereklendirilen transformatörün ikincil çıkış gerilimine göre belirlenebilir.
Demir çekirdeğin kesit alanı, sarım sayısı ve ikincil yük belirlendikten sonra, transformatörün ikincil indüklenmiş elektromotiv kuvveti (yani hassasiyeti) sadece demir çekirdeğin manyetik geçirgenliğine bağlıdır. Bu nedenle, transformatörde kullanılan demir çekirdeğinin malzemesinin belirlenmesi son derece önemlidir. Daha sonra bahsedilecek olan transformatörün doğrusallığı ve arta kalan özellikleri de demir çekirdeğin malzemesiyle yakından ilişkilidir.
Tablo 1'deki verilere göre, nanokristalik allit ve Metglas en yüksek manyetik geçirgenliğe sahiptir. Ancak, Metglas'in nispeten düşük doygun induksiyon yoğunluğu vardır ve piyasada pahalıdır. Tüm faktörleri göz önünde bulundurarak, nanokristalik alliti malzeme olarak öncelikle seçiyoruz. Transformatörün hassasiyeti, demir çekirdeğin manyetik geçirgenliğine orantılıdır ve ayrıca demir çekirdeğin şekli ve manyetik devrenin uzunluğuyla doğrudan ilişkilidir.
Genellikle, demir çekirdeği yüksek geçirgenlikli malzemelerden yaparak transformatörün hassasiyetini artırmaya çalışırken, aynı zamanda demir çekirdeğin manyetik devresini mümkün olduğunca kısaltmaya çalışıyoruz, bu da manyetik sızıntıyı azaltır ve demir çekirdeğin kullanımı oranını sağlar. Normal şartlarda, dairesel bir demir çekirdeğin manyetik devresi en kısaydır. Ancak, dış direk tipi devre kesicinin üç faz birincil iletkenleri yan yana dizildiği için, mekan izni varsa, demir çekirdeği devre kesicinin üç faz birincil iletkenlerinin düzen şekli ve aralığına dayanarak elips şeklinde tasarlanmalıdır. Transformatörün şekli ve birincil iletkenle arasındaki pozisyon ilişkisi Şekil 1'de gösterilmiştir.
Arta kalan akım transformatörü, devredeki anormal sızıntı durumlarına hızlı bir şekilde tepki vermelidir ve mikrobilgisayar koruma cihazına hareketli bir gerilim sinyali sağlamalıdır. Transformatör, devrenin çalışma durumunu gerçekçi bir şekilde yansıtmak için iyi bir doğrusallığa sahip olmalıdır. Doğrusallık, transformatörün giriş akımı değişimine göre çıkış geriliminin değişiminin oranı sabit olduğunda ifade edilir, bu Şekil 2'de gösterilmiştir.
transformatörün ikincil indüklenmiş elektromotiv kuvveti (yani hassasiyeti) sadece demir çekirdeğin manyetik geçirgenliğine bağlıdır. Bu nedenle, transformatörde kullanılan demir çekirdeğinin malzemesinin belirlenmesi son derece önemlidir. Daha sonra bahsedilecek olan transformatörün doğrusallığı ve arta kalan özellikleri de demir çekirdeğin malzemesiyle yakından ilişkilidir.
Devrede, devre kesicinin minimum birincil işletme akımı genellikle 10A'nın altında olması gerekmektedir. Bu nedenle, genellikle transformatörün birincil akımı 10A'nın altında olduğunda, transformatörün giriş akımı değişimine göre çıkış geriliminin değişiminin oranı ne kadar doğrusal olursa, kullanım gereksinimlerini o kadar karşılar. Transformatörün doğrusallık gereksinimi tekrarlanan testlerle kontrol edilmelidir.
Belirli bir demir çekirdeğin manyetik geçirgenliği ve ikincil yük koşullarında, demir çekirdeğin kesit alanını veya ikincil sarım sayısını ayarlayarak, transformatörün voltaj çıkışı doğrusal olarak değişmesi sağlanır. Ancak, gerçek devrelerde, transformatörün mikrobilgisayar koruma cihazına doğru bir voltaj sinyali sağlamasını engelleyen diğer faktörler de bulunmaktadır.
Transformatör monte edilirken, yan yana dizilmiş üç faz iletkenlerine geçirilmesi gerekir. Birincil iletken belirlenmiş akımı geçirdiğinde, arta kalan akım transformatörü, üç faz akımlarının oluşturduğu manyetik alanlar tarafından etkilenir ve demir çekirdeğin yerel manyetik akı yoğunluğu artar. Eğer demir çekirdeğin yerel kısmı aşırı doygunlaşır, transformatörün doğrusallığı kötüleşir ve bu, ikincil çıkış voltajının büyüklüğünü ciddi şekilde etkiler. Sonuç olarak, mikrobilgisayar koruması yanlış çalışabilir veya çalışmaz.
Gerçek işlem sırasında, arta kalan akım transformatörü büyük ölçekli yerleşme akımı tarafından etkilendikten ve koruma eylemi tamamlandıktan sonra güç tedariki devam ettirildiğinde, eğer transformatörün teknik parametreleri etkiye maruz kaldığı durumdan önceki duruma geri dönmese, yani transformatörün demir çekirdeğinde arta kalan mıknatıslık varsa, bu, gelecekteki sızıntı korumasının doğru çalışmasını ciddi şekilde etkiler.
Bu arta kalan akım transformatörünü tasarırken, aşağıdaki noktalar dikkat edilmelidir:
Demir çekirdeği, yüksek manyetik geçirgenliğe ve düşük arta kalan mıknatıslığa sahip nanokristalik allit malzemesinden yapılmış olmalıdır. Bu malzeme, aşırı akım darbesi altında kolayca başlangıç manyetik durumuna geri dönebilen iyi bir aşırı yük karakteristiğine sahiptir. Transformatörün arta kalan gerilimini kontrol etmek ve çok büyük olmadığını tespit etmek için, birincil tarafta çeşitli yerleşme akımlarının geçişini simüle edebilirsiniz. Ancak, genellikle, transformatörün arta kalan gerilimi, belirlenmiş birincil akımın artmasıyla birlikte artar. Ancak, demir çekirdek manyetik doygunluk noktasına ulaştığında, transformatörün ikincil tarafındaki arta kalan gerilim ani bir şekilde artacaktır.
Transformatör tasarırken, arta kalan akım transformatörünün arta kalan gerilim değerini en aza indirmek için, yüksek manyetik geçirgenliğe ve düşük arta kalan mıknatıslığa sahip nanokristalik allit malzemesi kullanılırken, demir çekirdeğin kesit alanını uygun bir şekilde artırma veya ikincil bobinin iç direncini azaltma gibi önlemler alınabilir.
