Разработка датчика тока для низковольтных комплектных распредустройств

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова

Разработка датчика тока для низковольтных комплектных распредустройств

Беличенко Р.И.

Аспирант

Аннотация

В статье рассматриваются вопросы разработки малогабаритного датчика тока, встраиваемого в комплектные распредустройства напряжением 0,4-10кВ, и проводится анализ влияния внешних магнитных полей на его работу.

Ключевые слова: датчик тока, комплектное распредустройство, низковольтная сеть.

Abstract

Belichenko R.I.

Postgraduate student,

DEVELOPMENT OF CURRENT TRANSDUCERS FOR LOW VOLTAGE COMPLETE DISTRIBUTING BOARDS

This paper considers the approach to the development of small-sized current transducers built in complete distributing boards with voltage 0,4-10kV, and the analysis of an external magnetic field influence on their performance is made.

Keywords: current transducer, complete distributing board, low voltage network.

Актуальность разработки датчиков тока для комплектных раопрелустройств напряжением 0,4 - 10 кВ возникла в связи с ростом генерируемых мощностей электроустановок низкого напряжения, в частности, в сетях распределенной генерации адаптивных энергетических систем. Так, при мощности электроустановки в несколько мегаватт и напряжении 0,4 кВ, ток короткого замыкания на сборных шинах комплектного распредустройства может превышать десятки килоампер.

С целью предотвращения разрушения комплектного распредустройства и минимизации ущерба от тока к.з., к релейной защите, действующей на отключение, предъявляются требования абсолютной селективности и максимального быстродействия. Таким требованиям отвечает только защита, выполненная на принципе сравнения токов всех присоединений сборных шин, т.е. дифференциальная защита с установкой датчиков тока на каждом присоединении. В существующих комплектных распредустройствах низкого напряжения (КРУНН) расстояние между токоведущими шинами составляет несколько сантиметров, что не позволяет использовать в качестве датчиков тока традиционные тороидальные трансформаторы тока с ферромагнитным сердечником.

Таким образом, возникает задача разработки и исследования малогабаритного, встраиваемого датчика тока, обладающего незначительными погрешностями и линейной характеристикой в широком диапазоне изменения первичного тока. В качестве такого датчика предлагается использовать трансреактор . Для установки на шинопроводах КРУНН предлагается выполнить датчик тока, состоящий из П-образного сердечника, собранного из листов электротехнической стали и двух обмоток, размещаемых на вертикальных стержнях сердечника и соединяемых последовательно.

С целью проведения экспериментальных исследований был изготовлен П-образный трансреактор с числом витков Wлев = Wправ = 1000 в. Размеры датчика и расположение шин показаны на рис. 1.

Рис. 1 - Схематическое изображение трансреакторного датчика тока

Выполненный таким образом датчик тока подвержен влиянию внешних магнитных полей, которое выражается в появлении на выходе обмотки напряжения помехи, приводящей к ложной работе защиты.

Для расчета величины выходного сигнала датчика необходимо иметь описание магнитного поля в пространстве около шин. В первом приближении можно считать, что силовые линии замыкаются только по сердечнику и зазору и выполнить задачу, используя методы расчета нелинейных магнитных цепей . Основная трудность таких расчетов заключается в определении магнитного сопротивления отдельных участков цепи. Приближенная аппроксимация нелинейных характеристик приводит к существенным погрешностям вычислений. В связи с этим, более целесообразно определить выходной сигнал датчика тока, используя физическое моделирование магнитного поля в пространстве около шин. Для упрощения расчетных соотношений примем следующие допущения, незначительно влияющие на результат исследований: поле Н в пространстве, окружающем проводник с током, будем считать плоскопараллельным, а магнитную проницаемость сердечника µ примем равной бесконечности.

Для выяснения картины магнитного поля шины с током можно воспользоваться моделированием его другим полем, а именно полем постоянного тока [6].

Модель магнитного поля шины с током состоит из двух тонких круглых дисков из проводящего материала (меди). Эти диски соединены по периметру с помощью медных заклепок, как показано на рис. 2.

Рис.2 - Схематическое изображение физической модели магнитного поля

На верхнем диске вырезана модель магнитопровода, а к месту расположения шины и центру нижнего диска подключены проводники от источника постоянного тока, Центр нижнего диска на основании теоремы Бутройда будет эквивалентен бесконечно-удаленной точке.

Плоскопараллельное магнитное поле выражается функцией потока V(M),

Шину с током можно с некоторыми погрешностями заменить точечным источником таким, что функция потока будет иметь в окрестности этой точки логарифмическую особенность

Поле модели описывается функцией потенциала U(M).

В точке присоединения проводника к модели поле потенциала будет иметь такую же особенность, как и поле потенциала тока утечки уединенного провода

где d - толщина проводящего слоя модели.

Действительно

Отсюда

Наряду с этим обе функции удовлетворяют одинаковым граничным условиям. Теперь воспользуемся тем фактом, что если функции описываются одним и тем же уравнением и удовлетворяют одинаковым граничным условиям, то по теореме единственности они имеют одинаковые решения. Следовательно, в нашем случае функцию потока можно заменить функцией потенциала. Сравнив источники V(M) и U(M) , найдем связь между ними

Следовательно, найти V(M) можно по результатам измерений предварительно построив картину эквипотенциальных линий U(M). Измерение величины производилось следующим образом. Из материала модели толщиной d была вырезана тонкая длинная полоска и включена последовательно с моделью к источнику постоянного тока. Затем с помощью двойного щупа, у которого расстояние между щупами ?ф равно ширине полоски m, измерялось напряжение в середине полоски. Можно показать, что это напряжение соответствует величине .

Действительно

так как  , отсюда 

Следовательно, мы имеем

Величина потока в трубке по толщине сердечника z определяется, как Фj = Vj z, где j - номер силовой трубки, в соответствии с картиной поля. Суммируем потокосцепление катушек датчика

где wl - число витков, которое пронизывает поток j - той силовой трубки (определяется как произведение удельного числа витков на соответствующую часть длины катушки). ЭДС, индуктируемая в обмотках датчика тока, определяется по формуле 

Для расчета полезного сигнала достаточно вычислить потокосцепление одной из катушек, поскольку силовые линии распределяются симметрично, и обе катушки находятся в одинаковых условиях. Результаты расчета сведены в табл. 1.

Таблица 1 - Потокосцепление одной катушки

Для расчета помехи следует вычислять потокосцепления обеих катушек. Результаты расчета сведены в таблицу 2.

Суммарный полезный сигнал на выходе датчика тока . Для расчета помехи от соседней шины вычисляются отдельно потокосцепления левой и правой катушек и результат суммируется (с учетом направления эдс).

Отсюда

датчик ток магнитный

Таблица 2 - Потокосцепление двух катушек

Помехоустойчивость датчика тока можно оценить отношением ЭДС помехи к эдс полезного сигнала

Таким образом, величина помехи, наводимой на описанном датчике, составляет 3,2 % от величины полезного сигнала при одном и том же токе собственной и соседней шин.

В результате экспериментальных исследований макетного образца П- образного трансреакторного датчика тока, была получена величина помехи равная 2,9, что хорошо согласуется с данными, полученными с использованием модели.

Таким образом, использование изложенного выше метода анализа позволяет с достаточной степенью точности оценивать помехоустойчивость датчика тока.

Список литературы

Чернобровов Н. В., Семенов В. А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998. С.800.

Дорошев К.И. Комплектные распределительные устройства 6-35 кВ. - М.: Энергоиздат, 1982. С. 376.

Кутявин И.Д. Трансформаторы тока с воздушным зазором // Известия Томского Ордена Трудового Красного Знамени Политехнического Института имени С.М. Кирова. 1951. №70.

Беличенко Р.И. Использование трансреакторов в качестве датчиков тока релейных защит электроустановок низкого напряжения. // Материалы Пятой международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи - 2014». - Томск: Министерство образования и науки РФ, Томский политехнический университет, 2014. -- 652 с.

Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. - М.-Л.: издательство «Энергия», 1966. С.407.

Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. - М.: издательство «Энергия», 1968. С.488.

Шимони К. Теоретическая электротехника. - М.: издательство «Мир», 1964. С.775.

Размещено на Allbest.ru