Характеристики ефективності та конструктивні особливості вакуумних вимикачів, монтуємих на стовпах для зовнішнього розташування
З 2009 по 2010 рік Державна мережа знаходилася на пілотному етапі планування інтелектуальної мережі, зосереджуючись на розробці плану розвитку потужної інтелектуальної мережі, проведення досліджень та розробок ключових технологій, виробництва обладнання та реалізації пілотних проектів у різних секторах. Період з 2011 по 2015 рік ознаменувався повномасштабним етапом будівництва, під час якого була початково сформована операційна система контролю та інтерактивного сервісу для інтелектуальної мережі, досягнуто значних проривів у ключових технологіях та обладнанні, що призвело до їх широкого застосування.
З 2016 по 2020 рік мережа вступила на етап лідерства та модернізації, коли була повністю створена єдина та потужна інтелектуальна мережа, а технології та обладнання досягли міжнародного передового рівня. Тоді здатність мережі до оптимізації розподілу ресурсів значно покращилася. Для відповідності цілям розвитку національної інтелектуальної мережі, зовнішні стовпчикові вакуумні автомати, встановлені на основних електромережах, мають забезпечувати мікропроцесорну інтелектуальну захист з високою чутливістю, що означає низьке значення мінімального первинного робочого струму.
Тому, окрім того, що кожен з трьох етапів оснащено окремим трансформатором струму для диференційного захисту, зовнішні стовпчикові вакуумні автомати також повинні бути оснащені трансформаторами залишкового струму для мікропроцесорного захисту, щоб забезпечити точний захист від протечі для мікропроцесора. Традиційні трансформатори залишкового струму великі за розміром, важкі та низької точності.
Під впливом факторів, таких як обмежений простір для встановлення та довгі вторинні провідні цепи, вони майже не можуть задовольнити вимоги мікропроцесорного захисту для зовнішніх стовпчикових вакуумних автоматів. На даний момент всі зовнішні автомати, які відповідають вимогам національної інтелектуальної мережі, виробляються закордонними підприємствами, що призводить до високих витрат. Для адаптації до вимог розвитку національної інтелектуальної мережі необхідно розробити зовнішні автомати, які задовольняють потреби національної інтелектуальної мережі.
На даний момент головною технічною проблемою, яку нам потрібно вирішити, є розробка трансформаторів залишкового струму для мікропроцесорного захисту, які можна використовувати разом з цими автоматами, відповідаючи вимогам встановлення в малих просторах, високої чутливості до протечі для мікропроцесорного захисту та точності роботи, та спочатку досягнути локалізації трансформаторів залишкового струму для мікропроцесорного захисту.
Застосування та вимоги до характеристик трансформаторів залишкового струму для мікропроцесорного захисту
Трансформатор залишкового струму (трансформатор нуль-послідовного струму) — це спеціалізований трансформатор струму, призначений для перетворення залишкового струму (нулівого послідовного струму). Він використовується для однофазної захисту від заземлення в системах з ізольованою нейтраллю. Трифазні провідники одночасно проходять через віконце сердцевини трансформатора, що виступає як первинне обмотування трансформатора.
При нормальній роботі системи фазова сума трифазних струмів дорівнює нулю, і немає виводу з вторинної сторони трансформатора залишкового струму. Коли в певному провіднику відбувається однофазна аварія заземлення, первинний струм трансформатора залишкового струму досягає мінімального робочого струму реле або мікропроцесорного захисту, що запускає працювання захисного пристрою.
У традиційних трансформаторах залишкового струму вторинна сторона безпосередньо з'єднана з реле. Оскільки кількість витків первинного обмотування трансформатора зазвичай дорівнює 1, кількість витків вторинного обмотування дуже мала. Мінімальний первинний робочий струм традиційних трансформаторів залишкового струму зазвичай становить від 2,4 А до 10 А, а номінальний первинний струм традиційних трансформаторів залишкового струму зазвичай вибирається в діапазоні від 15 А до 300 А. Для задоволення вимог до точності поперечне сечение сердцевини трансформатора проектується досить великим, що призводить до великих розмірів, ваги, низької точності та невеликої вторинної навантаженості.
Коли струм аварії менший за 2,4 А, струм, видільний традиційним трансформатором, недостатній для активування реле, що створює "мертву зону". Тому, щоб трансформатор міг надати точний захист для мікропроцесора в широкому діапазоні робочих струмів без "мертвої зони", необхідно проектувати спеціальний трансформатор залишкового струму, який можна використовувати разом з мікропроцесорним захистом.
Оскільки простір для встановлення автомата обмежений, спеціальний трансформатор залишкового струму, використовуваний разом з мікропроцесорним захистом, повинен бути невеликий за розмірами та легкий, а також вимагати високої точності вторинного виводу та великої вторинної навантаженості. Зазвичай первинний робочий струм трансформатора повинен бути від 0,2 А до 10 А. Якщо трансформатор може забезпечити добру лінійність та чутливість при великих вторинних навантаженнях, він може задовольнити вимоги мікропроцесорного захисту та уникнути появи "мертвої зони".
Конструктивне проектування трансформаторів залишкового струму для мікропроцесорного захисту
Вибір параметрів номінального навантаження трансформатора
Зовнішні стовпчикові вакуумні автомати зазвичай встановлюються зовні та далеко від підтримуючих пристроїв автоматизації. Однак навантаження, необхідне для мікропроцесорного захисту, дуже невелике. При проектуванні трансформатора залишкового струму, номінальне навантаження в основному враховує навантаження вторинної цепи трансформатора. Оскільки пристрій мікропроцесорного захисту зазвичай далеко від стовпчикового автомата, встановленого зовні, номінальне навантаження трансформатора зазвичай вибирається досить великим, з максимальним досягненням близько 200 Ом (це навантаження можна визначити відповідно до фактичної ситуації користувача).
Вибір кількості витків первинного та вторинного обмотування, форми та матеріалу сердцевини
Трансформатори залишкового струму для мікропроцесорного захисту вимагають надзвичайно високої чутливості та повинні швидко та точно реагувати. Чутливість означає здатність вторинного обмотування трансформатора реагувати на струм протечі, що може бути описано наступним чином: при певному значенні струму протечі, чим вище викликане електродинамічне напруження різних трансформаторів, тим вища їх чутливість.
Чутливість пов'язана з кількістю витків первинного та вторинного обмотування трансформатора. Чим більше витків у вторинному обмотуванні, тим вища чутливість. Трансформатор залишкового струму безпосередньо встановлюється на трифазні первинні провідники, а первинний провідник є захищеним провідником, з кількістю первинних витків 1. Збільшення кількості первинних витків не є практичним.
Електродинамічне напруження вторинного обмотування, U2 = 4,44f·N2·μ·I1·S, де:
I1 представляє номінальний первинний струм.
S — поперечне сечение сердцевини.
μ — магнітна проникність.
f — частота.
N2 — кількість витків вторинного обмотування.
Як видно з формули, через обмеження місця встановлення трансформатора, зовнішні розміри трансформатора не можуть бути дуже великими. Тому поперечне сечение сердцевини трансформатора є відносно невеликим. Для підвищення чутливості трансформатора необхідно або збільшити кількість витків вторинного обмотування, або покращити магнітну проникність сердцевини трансформатора.
Номінальний первинний струм зовнішніх автоматів зазвичай становить 630 А або менше. Враховуючи невелике поперечне сечение сердцевини трансформатора, для забезпечення високої чутливості, через експерименти, кількість витків вторинного обмотування зазвичай спочатку встановлюється від 1500 до 2000 витків. Конкретна кількість витків може бути визначена відповідно до вторинного навантаження та вторинного виводного напруги трансформатора, необхідних для мікропроцесора.
Після визначення поперечного сечення сердцевини, кількості витків та вторинного навантаження, параметр, який впливає на вторинне електродинамічне напруження (тобто чутливість) трансформатора, пов'язаний лише з магнітною проникністю сердцевини. Тому визначення матеріалу сердцевини, використовуваного в трансформаторі, є критичним. Лінійність та залишкова характеристика трансформатора, згадані нижче, також тісно пов'язані з матеріалом сердцевини.
Аналізуючи дані у таблиці 1, як нанокристалічний сплав, так і Metglas мають найвищу магнітну проникність. Однак, Metglas має відносно низьку насичену індукцію і є дорогим на ринку. Враховуючи комплексно, ми віддаємо перевагу нанокристалічному сплаву як матеріалу. Чутливість трансформатора прямо пропорційна магнітній проникності сердцевини, а також має пряму залежність від форми сердцевини та довжини магнітного контуру.
Зазвичай, окрім використання матеріалів з високою магнітною проникністю для сердцевини, щоб підвищити чутливість трансформатора, ми також намагаємося якомога скоротити магнітний контур сердцевини, щоб зменшити магнітну витеку та забезпечити використання сердцевини. У звичайних умовах кругла сердцевина має найкоротший магнітний контур. Однак, оскільки трифазні первинні провідники зовнішнього стовпчикового автомата розташовані поруч у ряд, коли це дозволяє простір, сердцевину слід проектувати як еліпс, відповідно до форми та відстані між трифазними первинними провідниками автомата. Форма трансформатора та його положення відносно первинного провідника показані на рисунку 1.
Трансформатор залишкового струму повинен швидко реагувати на аномальні стани протечі в цепі та надавати виконуване напружнення сигналу до пристрою мікропроцесорного захисту. Трансформатор повинен мати хорошу лінійність, щоб справді відображати стан роботи цепі. Лінійність означає, що відношення зміни входного струму до зміни виводного напруги трансформатора є сталою, як показано на рисунку 2.
Чутливість трансформатора пов'язана лише з магнітною проникністю сердцевини. Тому визначення матеріалу сердцевини, використовуваного в трансформаторі, є критичним. Лінійність та залишкова характеристика трансформатора, згадані нижче, також тісно пов'язані з матеріалом сердцевини.
У цепі, мінімальний первинний робочий струм автомата зазвичай повинен бути нижче 10 А. Тому, зазвичай, вимагається, щоб при первинному струмі трансформатора нижче 10 А, краще, щоб відношення зміни входного струму до зміни виводного напруги трансформатора було лінійним, щоб задовольнити вимоги використання. Вимоги до лінійності трансформатора потребують повторного тестування.
При певній магнітній проникності сердцевини та вторинному навантаженні, напруга виводу трансформатора забезпечується лінійною зміною, регулюючи поперечне сечение сердцевини або кількість вторинних витків. Однак, в реальних цепях часто існують інші фактори, що впливають на те, щоб трансформатор надавав точний напружнення сигнал до пристрою мікропроцесорного захисту.
При встановленні трансформатора, його необхідно надіти на трифазні провідники, розташовані поруч у ряд. Коли первинний провідник проходить номінальний струм, трансформатор залишкового струму буде заваджений магнітними полями, створеними трифазними струмами, і локальна магнітна густина сердцевини збільшиться. Якщо локальна частина сердцевини буде перевищена, лінійність трансформатора погіршиться, що серйозно вплине на величину вторинного виводного напруги. В результаті, мікропроцесорний захист може помилково спрацювати або не спрацювати взагалі.
Під час фактичної роботи, після того, як трансформатор залишкового струму буде завдано великої масштабної аварії заземлення, і після завершення захисної дії та відновлення живлення для подальшої роботи, якщо технічні параметри трансформатора не зможуть повернутися до стану до завдання, тобто, якщо у сердцевині трансформатора буде залишковий магнетизм, це серйозно вплине на точну дію захисника від протечі наступного разу.
При проектуванні цього трансформатора залишкового струму, слід звернути увагу на наступні моменти:
Сердцевина повинна бути виготовлена з нанокристалічного сплаву з високою магнітною проникністю та низьким залишковим магнетизмом. Цей матеріал має хороші характеристики перевантаження та може легко повернутися до початкового магнітного стану під впливом перевищування струму. Залишкове напруга трансформатора можна контролювати та виявляти, щоб воно не було занадто великим, моделюючи проходження різних струмів заземлення на первинній стороні. Однак, залишкове напруга трансформатора зазвичай зростає зі зростанням номінального первинного струму. Але після досягнення сердцевиною магнітного насичення, залишкове напруга на вторинній стороні трансформатора зросте стрімко.
При проектуванні трансформатора, для мінімізації впливу первинного струму на значення залишкового напруга трансформатора залишкового струму, при виборі нанокристалічного сплаву з високою магнітною проникністю та низьким залишковим магнетизмом для виготовлення сердцевини, можна спільно прийняти заходи, такі як відповідне збільшення поперечного сечення сердцевини або зменшення внутрішнього опору вторинного обмотування, щоб знизити залиш
