РАЗРАБОТКА ДАТЧИКА ТОКА ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДУСТРОЙСТВ

Беличенко Р.И.¹, Березкин Е.Д.²

¹Аспирант, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, ²Кандидат технических наук, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова

РАЗРАБОТКА ДАТЧИКА ТОКА ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДУСТРОЙСТВ

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.

Belichenko R.I.¹, Berezkin E.D.²

¹Postgraduate student, Platov South-Russian State Polytechnic University (Novocherkassk Polytechnic Institute), ²PhD in Engineering, Platov South-Russian State Polytechnic University (Novocherkassk Polytechnic Institute)

DEVELOPMENT OF CURRENT TRANSDUCERS FOR LOW VOLTAGE COMPLETE DISTRIBUTING BOARDS

                                                                                             Abstract

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   ∆τ 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   w_l    -  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

Номера трубок
1	1,054	52,66	130	0,85
2	1,185	59,2	780	5,06
3	1,317	65,7	1000	19,7
4	1,45	72,4
5	1,58	78,9
6	1,71	85,4	960	6,34
7	1,843	92	930	6,24
8	1,984	98,7	752	5,04
9	2,109	105,4
10	2,24	112

 

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

Таблица 2 – Потокосцепление двух катушек

Номера трубок
1	115,7	76	0,0532
2	115	511	0,65
3	113,8	893	1,16
4	112,5	1000	3,1
5	111,2
6	110
7	109,4	600	0,36
8	108,8
9	107,6	1000
10	106	881		1,4
11	105	291		1,058
12	104,2			0,236

 

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 / References

1. Чернобровов Н. В., Семенов В. А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998. С.800.
2. Дорошев К.И. Комплектные распределительные устройства 6-35 кВ. - М.: Энергоиздат, 1982. С. 376.
3. Кутявин И.Д. Трансформаторы тока с воздушным зазором // Известия Томского Ордена Трудового Красного Знамени Политехнического Института имени С.М. Кирова. 1951. №70.
4. 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.
5. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. - М.-Л.: издательство «Энергия», 1966. С.407.
6. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. - М.: издательство «Энергия», 1968. С.488.
7. Шимони К. Теоретическая электротехника. - М.: издательство «Мир», 1964. С.775.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Chernobrovov N.V., Semenov V.A. Releynaya zashchita energeticheskikh sistem [Relay protection of power systems.] - M.: Energoatomisdat, - 1998. - P.800. [In Russian]
2. Doroshev K.I. Komplektnye raspredelitelnye ustroystva 6-35 kV. [Cubicle switchboards of 6-35 kV.] - M.: Energoizdat, - 1982. – P. 376 [In Russian]
3. Kutyavin I.D. Transformatory toka s vozdushnym zazorom. [Current transformers with air gap] // Bulletin of Tomsk Order of the Red Banner of Labour Polytechnic Institute S.M. Kirov memorial. - 1951. - No 70. [In Russian]
4. Belichenko R.I. Ispolzovaniye transreaktorov v kachestve datchikov toka releynykh zashchit elektroustanovok nizkogo napriazheniya. [Using transreactors as current sensors of relay protection of low voltage electric installation.] // Proceedings of the Fifth International Scientific and Technical Conference "Electrical energy industry as it seen by Youth - 2014". Tomsk: Ministry of Education and Science of the Russian Federation, Tomsk Polytechnic University, 2014. - 652 p. [In Russian]
5. Neiman L.R., Demirchyan K.S. Teoreticheskiye osnovy elektrotekhniki [Theoretical Foundations of Electrical Engineering.] - M.-L.: "Energy" Publishing House, - 1966. - P. 407. [In Russian]
6. Govorkov V.A. Elektricheskiye i magnitnye polia [Electric and magnetic fields.] - M .: Publishing [In Russian]
7. Shimoni K. Teoreticheskaya elektrotekhnika. [Theoretical Electrical Engineering.] - M.: "Mir" Publishing House, - 1964. - P.775. [In Russian]