Трансформатор тока дифференциальный: дифференциальный трансформатор тока — патент РФ 2300820

дифференциальный трансформатор тока — патент РФ 2300820

Формула изобретения

1. Дифференциальный трансформатор тока, содержащий замкнутый тороидальный магнитопровод с равномерно намотанной вторичной обмоткой, первичными фазными расщепленными проводниками, пропущенными в его окно, отличающийся тем, что первичные фазные проводники расщеплены на нечетное число параллельно соединенных проводников К=3, 5, 7…, равномерно распределенных по внутренней окружности замкнутого тороидального магнитопровода при сохранении очередности фаз.

2. Дифференциальный трансформатор тока по п.1, отличающийся тем, что сечение замкнутого тороидального магнитопровода выполнено вытянутым вдоль его оси и прямоугольным с соотношением сторон b и а в интервале 3 b/a 2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к дифференциальным трансформаторам тока.

Известные дифференциальные трансформаторы тока (ДТТ) применяются в основном в устройствах защитного отключения (УЗО) в качестве датчиков сигнала (ЭДС или тока), поступающего со вторичной обмотки на чувствительный полупроводниковый блок при касании человека или животного к первичному проводнику с током или при появлении тока утечки на землю (А.П.Бодин, Ф.И.Московкин Электрооборудование для сельского хозяйства. М.: Россельхозиздат, 1981). При этом ДТТ содержит тороидальный магнитопровод квадратного сечения с равномерно намотанной вторичной обмоткой и первичными токоведущими проводниками, пропущенными в окно тороида.

Существенным недостатком существующих ДТТ является то, что они содержат небаланс. Исходя из требований обеспечения надежной электробезопасности, необходимо иметь уставку на срабатывание УЗО не более 10 миллиампер при любом рабочем токе электроустановки. В существующих УЗО установлены уставки на срабатывание 30, 100, 300 и более миллиампер. Уменьшить ток срабатывания (повысить чувствительность) УЗО не позволяет наличие небаланса в ДТТ.

В конструкциях существующих ДТТ сечение магнитопровода выполнено в форме квадрата. Такое сечение не является оптимальным для выделения полезного сигнала со вторичной обмотки.

Наиболее близким к заявляемому изобретению, принятому за прототип, является трансформатор тока нулевой последовательности (А.С. СССР №456335, опубл. 05.01.1975). В прототипе с целью снижения небаланса в ДТТ проводники каждой фазы первичной обмотки расщеплены на число проводников не менее двух и расщепленные проводники каждой из фаз расположены диаметрально противоположно в окне магнитопровода. В прототипе расщепление первичных проводников осуществляется на четное число раз (К=2, 4, 6…) и не дает максимального снижения небаланса.

Анализ эксплуатации УЗО показал, что в момент запуска электродвигателя в случае неблагоприятной фазы включения питающего напряжения наблюдается ложное срабатывание УЗО. Это связано с тем, что в случае неблагоприятной фазы включения по первичным фазным проводникам ДТТ протекает апериодическая составляющая тока, превосходящая в несколько раз амплитуду пускового тока электродвигателя.

Эта апериодическая составляющая порождает результирующий поток рассеяния в окне магнитопровода. Поток рассеяния создает ЭДС (ток) во вторичной обмотке ДТТ, достаточную для запуска электронной схемы, вызывая ложное срабатывание УЗО. Чтобы избежать ложного срабатывания, эксплуатационникам приходится разрабатывать специальные схемы включения ограничительных сопротивлений в первичной цепи электроустановки с двигательной нагрузкой для каждого электродвигателя; что является нежелательным как с точки зрения усложнения схемы запуска электродвигателя, так и стоимости всей установки.

В заявляемом ДТТ технический результат по снижению небаланса достигается путем расщепления каждого фазного проводника на K=2, 3, 4, 5… число проводников. При этом расщепленные части фазных проводников распределены равномерно по внутренней окружности тороида с сохранением очередности фаз А, В, С в трехфазном ДТТ и фаза, нуль — в однофазном ДТТ. В каждой из фаз расщепленные части соединены параллельно. Угол ( ) между осями расщепленных частей первичных проводников составляет

где: К=2, 3, 4, 5… число расщеплений, n=2 для однофазного ДТТ, n=3 для трехфазного.

На фиг.1 показано расщепление первичных токоведущих проводников на К=2 число частей для однофазного ДТТ. Фазный проводник 1 с линейным зажимом Л ₁ расщеплен на две части (два проводника) 1 ^I и 1^II. Эти два проводника соединены параллельно между собой и пропущены в окно тороида С. Аналогично расщепленные части 2^I и 2 ^II для нулевого провода 2 с линейным зажимом Л ₂ также соединены параллельно и пропущены в окно тороида С. Z_н — сопротивление нагрузки. На фиг.4а показано расщепление первичных токоведущих проводников для однофазного ДТТ на К=3 число частей. Расщепленные части первичного фазного и нулевого проходов распределены равномерно по внутренней окружности тороида при сохранении очередности: расщепленная часть фазного проводника, затем расщепленная часть нулевого проводника, фазного и т.д. Между каждой расщепленной частью фазного и нулевого проводников образуется угол в 60°. В каждом из расщепленных частей проводников показано направление переменного тока для момента времени, когда в фазном проводнике ток течет от нас перпендикулярно плоскости и обозначен (х), а в нулевом — к нам и обозначен ( ). Соответственно показано направление потоков рассеяния для расщепленных частей фазного проводника , , , а для нулевого — , , .

На фиг.4б показано расщепление на К=3 число частей для трехфазного ДТТ. Расщепленные части, как и в однофазном ДТТ, распределены равномерно по внутренней окружности тороида при сохранении очередности фаз А, В, С. В каждом из расщепленных частей фазных проводников показано направление переменного тока для момента времени в соответствии с векторной диаграммой на фиг.4в и потоки рассеяния , , для расщепленных частей проводника фазы А; , , для расщепленных частей проводника фазы В; , , для расщепленных частей проводника фазы С.

Все расщепленные части в каждой из фаз А, В, С соединены параллельно в каждой фазе.

Технический результат по снижению небаланса в однофазном ДТТ подтвержден экспериментом. Так, при расщеплении на К=3 уменьшилась ЭДС небаланса в 18 раз по сравнению с ДТТ с нерасщепленными первичными проводниками.

Технический результат по увеличению полезного сигнала, снимаемого с зажимов вторичной обмотки ДТТ, в заявляемом изобретении достигается тем, что изменена форма сечения тороидального магнитопровода. Предлагается заменить квадратное сечение магнитопровода прямоугольным, вытянутым, вдоль оси тороида с отношением сторон не менее двух. На фиг.2а показано сечение существующего (квадратное) магнитопровода ДТТ, а на фиг.2б — предлагаемого (прямоугольного) вытянутого вдоль оси тороида. Предполагается, что величины сечений квадратного и прямоугольного одинаковы. Упрощено каждый виток вторичной обмотки ДТТ можно представить как периметр, состоящий из двух частей: активной и пассивной. Активная часть витка I _ак участвует в наведении ЭДС полезного сигнала в результате того, что охвачена магнитным потоком первичного проводника с током. Пассивная же часть — служит лишь для создания электрической цепи. Отсюда следует, что для увеличения полезного сигнала (ЭДС, тока), поступающего с зажимов вторичной обмотки ДТТ на электронную схему УЗО при одной и той же величине сечения, необходимо увеличивать активную часть витка (I_ак) вторичной обмотки. При одной и ток же величине сечения магнитопровода ДТТ это достигается тем, что взамен квадратного выполняется прямоугольное сечение, вытянутое вдоль оси тороида с отношением осевой стороны к радиальной не менее двух. На фиг.3 приведены основные расчетные зависимости для пермаллоевого тороидального сердечника сечением 2,07 см ². Из расчетных зависимостей на фиг.3 следует, что в интервале 3 в/а 2 при незначительном увеличении длины пассивной части витка заметно увеличивается активная часть витка.

Принцип действия устройства дифференциального тока: y_kharechko — LiveJournal

Приведена сокращённая информация из моей книги «Защитные устройства модульного исполнения», изданной ООО «АББ Индустри и Стройтехника» в 2008 г. За прошедшие годы была уточнена терминология и изменены некоторые требования к УДТ.

Устройство защитного отключения с помощью встроенного в него дифференциального (суммирующего) трансформатора определяет сумму электрических токов, протекающих в проводниках своей главной цепи, (то есть дифференциальный ток) и разрывает эту цепь, если сумма этих токов превышает заданное значение (отключающий дифференциальный ток) или равна ему.
Для пояснения принципа функционирования дифференциального трансформатора УЗО воспользуемся информацией, приведенной на рис. 4.1.
Дифференциальный трансформатор двухполюсного устройства защитного отключения имеет две первичные обмотки, выполненные двумя проводниками главной цепи УЗО, и одну вторичную обмотку, к которой подключен расцепитель дифференциального тока (расцепитель, вызывающий срабатывание УЗО с выдержкой времени или без нее, когда дифференциальный ток превышает заданное значение).

Рис. 4.1 – Функционирование дифференциального трансформатора устройства защитного отключения

Рассмотрим нормальный режим электрической цепи, при котором отсутствуют какие-либо повреждения основной изоляции опасных токоведущих частей и нет замыкания на землю.
В обоих проводниках главной цепи устройства защитного отключения протекают электрические токи, равные по своему абсолютному значению току нагрузки Iн.
Электрические токи I1 и I2, протекающие в первичных обмотках дифференциального трансформатора, направлены навстречу друг другу и равны между собой по абсолютному значению. Сумма указанных электрических токов равна нулю.
Магнитные потоки Ф1 и Ф2, создаваемые электрическими токами I1 и I2 в сердечнике дифференциального трансформатора, также направлены навстречу друг другу и равны между собой по абсолютному значению. Магнитные потоки Ф1 и Ф2 взаимно компенсируют друг друга. Поэтому суммарный магнитный поток в сердечнике дифференциального трансформатора равен нулю.
В результате этого абсолютная величина электрического тока Iр, который может протекать в электрической цепи, подключенной ко вторичной обмотке дифференциального трансформатора, также будет равна нулю.
При указанных условиях расцепитель дифференциального тока, который подключен ко вторичной обмотке дифференциального трансформатора, не может сработать. Поэтому в нормальном режиме электрической цепи устройство защитного отключения не размыкает контакты своей главной цепи и, следовательно, не отключает присоединенные к нему внешние электрические цепи.
Рассмотрим аварийный режим электрической цепи, возникший в результате повреждения основной изоляции опасной токоведущей части и ее замыкания на землю.
В аварийном режиме по одному из проводников главной цепи УЗО помимо тока нагрузки Iн протекает ток замыкания на землю Iз. Поэтому абсолютное значение электрического тока, протекающего в одной из первичных обмоток дифференциального трансформатора, превышает абсолютное значение электрического тока, который протекает в другой его первичной обмотке. Сумма электрических токов в проводниках главной цепи устройства защитного отключения будет отлична от нуля.
Магнитные потоки Ф1 и Ф2 в сердечнике дифференциального трансформатора, прямо пропорциональные электрическим токам I1 и I2, не равны между собой по абсолютному значению. Они не могут компенсировать друг друга и поэтому суммарный магнитный поток в сердечнике дифференциального трансформатора отличен от нуля.
Абсолютная величина электрического тока Iр, который протекает в электрической цепи, подключенной ко вторичной обмотке дифференциального трансформатора, также будет больше нуля.
В указанных условиях расцепитель дифференциального тока может сработать под воздействием электрического тока Iр, побуждая устройство защитного отключения разомкнуть свои главные контакты и отключить присоединенные к нему внешние электрические цепи.
В трехфазных электрических цепях применяют трех- и четырехполюсные устройства защитного отключения, которые оснащены дифференциальными трансформаторами, имеющими соответственно три и четыре первичные обмотки. Эти дифференциальные трансформаторы функционируют так же, как и дифференциальный трансформатор двухполюсного УЗО. Векторные суммы электрических токов, протекающих в главных цепях УЗО, они определяют с учетом запаздывания и опережения по фазе электрических токов в проводниках, подключенных к УЗО.

дифференциальный трансформатор тока — патент РФ 2244972

Формула изобретения

Дифференциальный трансформатор тока, содержащий тороидальный сердечник из магнитомягкого материала с намотанной на него вторичной обмоткой, первичную n-фазную обмотку в виде фазных проводников, расположенных в окне сердечника, и держатель проводников, отличающийся тем, что первичная обмотка выполнена из двух проводников сети, расположенных диаметрально противоположно, а вторичная обмотка состоит из двух секций, две одинаково намотанные обмотки одной из которых соединены встречно и каждая обмотка имеет n витков, к которым плотно прилегают проводники первичной обмотки, при этом две одинаково намотанные обмотки с m витками в каждой обмотке другой секции соединены последовательно и расположены под углом 90° по отношению к проводникам первичной обмотки.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к электротехнике и может быть применено для защиты человека от поражения электрическим током, противопожарной защиты от теплового проявления токов утечки, а также токов перегрузки и короткого замыкания в составе автоматизированных систем управления и устройств защитного отключения, реагирующих на дифференциальный (разностный) ток и токов нагрузки.

В настоящее время в электротехнике применяются дифференциальные трансформаторы тока (Рекомендации по проектированию, монтажу и эксплуатации электроустановок зданий при применении устройств защитного отключения. М.: Издательство МЭИ, 2002 г, стр. 19-27, 66-67), для которых характерно наличие сигнала небаланса (помехи) в полезном сигнале, пропорциональном току утечки или разностному току. Такие трансформаторы содержат тороидальный магнитомягкий сердечник с равномерной или сосредоточенной вторичной обмоткой и произвольно расположенную в окне сердечника трансформатора первичную обмотку, состоящую из проводников питающей сети.

В такой конструкции трансформатора магнитная связь проводников первичной обмотки с проводниками вторичной обмотки имеет случайный характер, поэтому сумма их потокосцеплений с проводниками вторичной обмотки тоже имеет случайный характер, и во вторичной обмотке наводится сигнал небаланса, который может отличаться не только по величине, но и по фазе. Поэтому при появлении тока утечки сигнал на выходе вторичной обмотки дифференциального трансформатора тока в одних случаях может увеличиваться, а в других уменьшаться. Это вносит ограничение на минимальный порог срабатывания устройств защитного отключения и ограничивает их применение в электроустановках с пиковыми или пусковыми токами, так как сигнал небаланса пропорционален току нагрузки, и это приводит к ложным, несанкционированным срабатываниям устройств защитного отключения. Пусковой орган (пороговый элемент) в устройствах защитного отключения выполняется, как правило, на чувствительных магнитно-электрических реле прямого действия или электронных компонентах, а исполнительный механизм включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода.

Сигнал небаланса уменьшают в дифференциальном трансформаторе тока (Щипунов Н.В. “Защитное отключение”, М.: Энергия, 1968 г., стр. 81-85), содержащем тороидальный сердечник из магнитомягкого материала с равномерно намотанной вторичной обмоткой, первичную обмотку, состоящую из фазных проводников питающей сети, расположенную в окне сердечника, и экран из магнитного материала, установленный между первичной и вторичной обмотками.

Как и в описанных выше дифференциальных трансформаторах тока, в данном конструктивном варианте выполнения трансформатора сигнал небаланса не может быть полностью скомпенсирован. Экран замыкает на себя потоки рассеяния первичной обмотки, уменьшая их потосцепление со вторичной обмоткой, а значит и сигнал небаланса. Однако это приводит к снижению чувствительности и к токам утечки, он также работает нестабильно при наличии пиковых и пусковых токов, что ограничивает защиту мощных электроприемников.

Наиболее близким дифференциальным трансформатором тока по технической сущности к предлагаемому изобретению является дифференциальный трансформатор тока (патент РФ №2060568, класс H 01 F 38/28, 20.05.1996 г.), содержащий тороидальный сердечник из магнитомягкого материала с равномерно намотанной вторичной обмоткой, первичную n-фазную обмотку, расположенную в окне сердечника, и экран из магнитомягкого материала, установленный между первичной и вторичной обмотками. Каждая фаза первичной обмотки трансформатора выполнена в виде секций, каждая из которых состоит из двух идентичных, параллельно соединенных проводников, равномерно расположенных по окружности и чередующихся между собой в порядке следования фаз, так что угол между фазными проводниками соседних секций составляет 180°/n. Расположение обмоток и экрана зафиксировано держателем из электроизоляционного материала. Экран выполнен так, что позволяет изменять электромагнитную связь между первичной и вторичной обмотками при изменении мощности нагрузки для нормирования сигнала небаланса.

Принцип действия данного трансформатора аналогичен принципу действия известных проходных трансформаторов. Однако в нем за счет расщепления фазных проводников создаются потоки рассеяния, которые в каждый момент времени векторно противоположны друг другу и взаимно компенсируются независимо от асимметрии нагрузки. Это позволяет более чем на порядок уменьшить сигнал небаланса, повысить чувствительность устройств защитного отключения и осуществить защиту более мощных электроприемников с пусковыми и пиковыми токами.

Однако у таких дифференциальных трансформаторов тока наблюдается изменение сигнала небаланса при изменениях асимметрии нагрузки, так как при этом изменяется ориентация эллиптического вращающегося магнитного поля рассеяния относительно несимметричной вторичной обмотки, которая имеет место из-за технологических и конструктивных погрешностей и всей магнитной системы дифференциального трансформатора тока в целом.

Кроме этого, рассмотренные дифференциальные трансформаторы не выдают информацию о токах нагрузки, перегрузки и короткого замыкания.

В основу настоящего изобретения положена задача создания дифференциального трансформатора тока, обеспечивающего гальваническое разделение сигналов разностного тока, пропорционального току утечки, и сигнала небаланса, пропорционального нагрузке, за счет конструктивного выполнения первичной и вторичных обмоток, при котором первичная обмотка создает основной поток, пропорциональный току утечки, и потоки рассеяния, пропорциональные токам нагрузки.

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном трансформаторе тока, содержащем тороидальный сердечник из магнитомягкого материала с намотанной на него вторичной обмоткой, первичную n-фазную обмотку в виде фазных проводников, расположенных в окне сердечника, и держатель проводников, согласно изобретению первичная обмотка выполнена из двух проводников сети, расположенных диаметрально противоположно, а вторичная обмотка состоит из двух секций, две одинаково намотанные обмотки одной из которых соединены встречно, и каждая обмотка имеет n витков, к которым плотно прилегают проводники первичной обмотки, при этом две одинаково намотанные обмотки с m-витками в каждой обмотке другой секции соединены последовательно и расположены под углом 90° по отношению к проводникам первичной обмотки.

Поставленная задача решается также тем, что в другом варианте выполнения предлагаемого дифференциального трансформатора тока первичная обмотка выполнена из трех проводников трехфазной сети, расположенных под углом 120° друг относительно друга, вторичная обмотка состоит из секций, при этом три р одинаково намотанные обмотки первой секции соединены последовательно через 120°/р и каждая обмотка имеет n витков, к которым плотно прилегают проводники первичной обмотки, а шесть одинаково намотанных обмоток с m витками в каждой попарно расположены диаметрально противоположно и объединены в три секции, в каждой из которых обмотки соединены встречно, причем одна из обмоток в каждой секции плотно прилегает к соответствующему проводнику первичной обмотки. В этом случае через держатель может быть пропущен либо один нейтральный проводник, либо три нейтральных проводника одинакового сечения, расположенных посередине между фазными проводниками и плотно прилегающих к сердечнику.

Секции вторичных обмоток соединяют таким образом, что в одних секциях вторичной обмотки наводится сигнал, пропорциональный только току утечки, а в других секциях вторичной обмотки наводятся сигналы, пропорциональные фазным токам нагрузки. Эти сигналы гальванически разделены и не зависят друг от друга. Это позволит создать защитные отключающие устройства с большей чувствительностью к токам утечки, селективные, то есть многоуровневые, без ложных отключений, и расширить их функциональные возможности, а именно: реагировать на токи перегрузки и токи короткого замыкания.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 изображает схему включения дифференциального трансформатора тока в однофазную или двухфазную сеть без нейтрального проводника;

фиг.2 — схему включения дифференциального трансформатора тока в трехфазную сеть без нейтрального проводника при р=1;

фиг.3 — схему включения дифференциального трансформатора тока в трехфазную сеть с одним нейтральным проводником, расположенным в центре сердечника при р=1;

фиг.4 — то же, что и на фиг.2, но с тремя нейтральными проводниками, расположенными посередине между проводниками первичной обмотки и одинаково прилегающими к сердечнику.

Дифференциальный трансформатор тока, согласно изобретению, содержит тороидальный сердечник 1 (фиг.1) из магнитомягкого материала с намотанной на него вторичной обмоткой, состоящей из двух секций. Две одинаковые, равномерно намотанные обмотки 2 одной секции соединены встречно и каждая обмотка 2 имеет n витков, к которым плотно прилегают два проводника 3 первичной обмотки, расположенных горизонтально. Перпендикулярно горизонтальной оси на сердечник 1 равномерно намотаны еще две одинаковые обмотки 4 другой секции вторичной обмотки, каждая из которых имеет m витков. Обмотки 4 соединены последовательно и расположены под углом 90° по отношению к проводникам 3. Все обмотки 2 и 4 имеют одинаковое направление намотки витков. Для придания конструкции трансформатора жесткости в окне сердечника 1 установлен держатель 5 из электроизоляционного материала.

На фиг.2 представлена схема включения дифференциального трансформатора тока в трехфазную сеть без нейтрального проводника, позволяющая разделять сигнал утечки, пропорциональный току утечки, и сигналы небаланса (помехи), пропорциональные токам нагрузки в фазах.

Дифференциальный трансформатор тока содержит тороидальный сердечник 6, первичную обмотку из трех проводников 7 трехфазной сети, расположенных в держателе 8 из электроизоляционного материала под углом 120° по отношению друг к другу на внутренней поверхности сердечника 6. На сердечник 6 намотана вторичная обмотка, состоящая из секций. Три одинаковые, равномерно намотанные обмотки 9 первой секции соединены последовательно и каждая обмотка имеет n витков, к которым плотно прилегают фазные проводники 7 первичной обмотки. Шесть одинаково намотанных обмоток 10 и 11 с m витками в каждой попарно (обмотка 10 и обмотка 11) расположены диаметрально противоположно и объединены в три секции, в каждой из которых обмотки 10 и 11 соединены встречно, причем обмотка 10 в каждой секции плотно прилегает к соответствующему фазному проводнику 7.

На фиг.3 представлена схема включения дифференциального трансформатора тока в трехфазную сеть с нейтральным проводником, которая выполняет те же функции, что и дифференциальный трансформатор тока на фиг.2. Он содержит дополнительно нейтральный проводник 12, пропущенный через центр держателя 8.

На фиг.4 представлена схема дифференциального трансформатора тока, аналогичная схеме, представленной на фиг.2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит три одинаковых нейтральных проводника 13, пропущенных через держатель 8, расположенных посередине между фазными проводниками 7 первичной обмотки и одинаково прилегающих к сердечнику 1.

Принцип действия предлагаемого дифференциального трансформатора тока заключается в следующем.

В отсутствии тока утечки основной магнитный поток в магнитопроводе трансформатора равен нулю, так как фазные токи равны. Но так как по проводникам 3 (фиг.1) первичной обмотки протекает ток, то вокруг них пульсируют магнитные потоки Ф₁ рассеяния, направления которых показаны на фиг.1 и которые наводят одинаковые ЭДС e_n помехи или небаланса, пропорциональные току нагрузки в обмотках 2. Направление e _n связано с направлением потоков правилом буравчика и на фиг.1 направлены вверх. Если обмотки 2 соединить встречно, то на выходе получается сигнал 2е_n, пропорциональный току нагрузки.

При появлении тока утечки создается поток Ф_m, который замыкается по магнитопроводу трансформатора и, согласно принятому на фиг.1 направлению, наводит сигналы e _m, пропорциональные току утечки. В обмотках 2 они взаимно компенсируются, поэтому на сигнал 2e_n в этих обмотках никакого влияния не оказывают. Обмотки 4 соединяются последовательно и на их выходе формируется сигнал 2e_m , пропорциональный току утечки. Число витков в каждой из обмоток может быть одинаковое, все зависит от соотношений тока нагрузки и тока утечки. Так как магнитное сопротивление по пути в воздухе намного больше магнитного сопротивления по пути в сердечнике 1, а ток в проводниках 3 намного больше тока утечки, то варьируя числом витков обмоток 2 и 4 можно добиться примерного равенства сигналов e_n и e_m. Таким образом, такой трансформатор позволяет разделить сигнал утечки, пропорциональный току утечки, и сигнал небаланса (помехи), пропорциональный току нагрузки.

Это дает возможность на базе таких дифференциальных трансформаторов тока разработать новые защитные отключающие устройства с расширенными функциональными возможностями, позволяющие настраивать их на различные токи нагрузки, осуществляя защиту от токов перегрузки и короткого замыкания, изменять чувствительность к токам утечки, соблюдать условия селективности и не реагировать на пусковые и пиковые токи нагрузки. Они могут выполняться на чувствительных магнитно-электрических реле прямого действия или электронных компонентах.

Данные положения гальванического разделения сигнала могут быть использованы для защиты электроприемников в трехфазных сетях при симметричных и несимметричных нагрузках.

На фиг.2 представлена схема включения дифференциального трансформатора тока в трехфазную сеть без нейтрального проводника. В отсутствии тока утечки основной магнитный поток в магнитопроводе трансформатора равен нулю, так как сумма токов в трехпроводной сети без нулевого провода равна нулю. Но так как по проводникам 7 первичной обмотки протекают фазные токи, то вокруг них пульсируют с частотой сети первичные потоки Ф₁ рассеяния, направления которых показаны на фиг.2 для момента первичные потоки Ф₁ рассеяния, направления которых показаны на фиг.2 для момента времени t=/6, которые наводят в обмотках 9 ЭДС помехи или e_n, пропорциональные току нагрузки при любом режиме работы — симметричном или несимметричном. Если эти обмотки 9 соединить последовательно, то сумма сигналов e_n от потоков Ф₃ будет равна нулю для любого момента времени.

При появлении тока утечки создается поток Ф_m, который замыкается по магнитопроводу трансформатора, и согласно принятому на фиг.2 направлению наводит в каждой из обмоток 9, 10 и 11 сигнал e_m, пропорциональный току утечки. Они суммируются в обмотках 9 и на выходе последовательно соединенных обмоток 9 имеет место сигнал 3 e_m, который не зависит от значений токов в проводниках 7 сети, то есть от нагрузки.

Известно, что в симметричной трехфазной сети, какой является первичная обмотка дифференциального трансформатора тока, при равенстве токов в фазных проводах 7 потоки Ф₁ рассеяния создают результирующий магнитный поток Ф₂, вектор результирующей магнитной индукции которого по модулю равен Он вращается с угловой скоростью t, замыкаясь по воздуху и магнитопроводу дифференциального трансформатора тока, сцепляясь с обмотками 10 и 11. На фиг.2 показано направление потока Ф₂ для момента времени t=/6 и направления е_n и e_m в каждой обмотке 10 и 11 от действия Ф_m и Ф₂. Если теперь соединить каждую пару обмоток 10 и 11, находящихся на одной оси, так чтобы скомпенсировались e _m, то есть встречно, то на выходе обмоток 10 и 11 каждой секции будут иметь место двойные сигналы небаланса 2e_na , 2e_nв, 2е_nc, пропорциональные токам нагрузки соответствующих фаз. Их удобно соединить в звезду и каждый фазный сигнал небаланса так же, как сигнал утечки, подавать на исполнительные органы, выполняющие функции, аналогичные для двухпроводного дифференциального трансформатора тока. Такой дифференциальный трансформатор тока работает и при несимметричном режиме, включая неполнофазный режим, так как любую несимметричную трехфазную систему токов без нулевого провода можно представить в виде суммы двух трехфазных, симметричных систем: прямой и обратной последовательности.

Принцип действия дифференциального трансформатора тока на фиг.3 и 4 аналогичен принципу действия дифференциального трансформатора тока на фиг.2.

Отличие заключается в том, что при несимметричной нагрузке и наличии нейтрального провода 12 (фиг.3) любую несимметричную трехфазную систему токов можно представить в виде суммы трех симметричных составляющих токов: нулевой, прямой и обратной последовательности.

Токи прямой и обратной последовательности создают свои вращающиеся поля и наводят сигналы, пропорциональные току нагрузки в обмотках 10 и 11 дифференциального трансформатора тока.

Токи нулевой последовательности не создают вращающегося магнитного поля, так как потоки, созданные токами нулевой последовательности, одновременно во всех трех фазных проводниках 7 на фиг.3 и 4, вынужденно пульсируют, замыкаясь по магнитопроводу трансформатора и наводят в обмотках 10 и 11 сигнал, пропорциональный утроенному току нулевой последовательности, но так как нейтральные проводники 12 и 13 на фиг.3 и 4 пропущены через дифференциальный трансформатор тока и по ним протекает только утроенная нулевая составляющая несимметричной системы токов обратного направления, то происходит компенсация сигнала нулевой последовательности в обмотках 10 и 11.

При появлении тока утечки в обмотках 10 и 11 наводится сигнал e_m, но так как обмотки 10 и 11 соединены на фиг.3 и 4 так же, как и на фиг.2, то на выходах соответствующих систем обмоток 10 и 11 будут сигналы 3e_na, 3e _nв, 3e_nc.

Таким образом, дифференциальный трансформатор тока, представленный и на фиг.3, и на фиг.4, позволяет гальванически разделить сигналы разностного тока и нагрузки, что позволяет создавать многофункциональные устройства на базе всех предлагаемых вариантов дифференциального трансформатора тока с защитой не только от токов утечки, но и от перегрузки и короткого замыкания. Такие устройства перспективны еще и потому, что отпадает необходимость установки в токовые цепи аппаратов защиты тепловых и электромагнитных реле, ограничивающие своими собственными сопротивлениями токи нагрузки и короткого замыкания. Они не надежны и не долговечны.

Дифзащита трансформатора — принцип действия

Дифзащита трансформаторов применяется для предотвращения аварийных и ненормальных режимов работы при возникновении короткого замыкания между фазами, межвитковых КЗ и замыкания одной или более фаз на землю.

Дифзащита применяется как основный вид автоматического отключения для мощных трансформаторов и для трансформаторов меньшей мощности, в случае если другие виды защиты не обеспечивают требуемого быстродействия.

Принцип работы дифференциальной защиты заключается в сравнении токов входящих и выходящих из трансформатора,и отключении трансформатора при неравенстве токов.

Конструктивно дифзащита включает в себя (Рис. 1) два трансформатора тока ТТ₁ и ТТ₂ включенных по высокому и низкому напряжению и реле автоматики А. Коэффициент преобразования измерительных трансформаторов подобран так, что при возникновении короткого замыкания вне защищаемого участка (Рис.1 слева), результирующий ток проходящий через реле был равный нулю.

Рис. 1

При возникновении короткого замыкания возникает асимметрия втекающих и вытекающих токов (Рис. 1 справа). Через реле протекает ток, включающий схему защитного отключения. Высокая избирательность дифференциальной системы не требует реле времени, т.к. защита включается в идеальном случае только при внутренних КЗ.

В реальных условиях требуется настройка дифзащиты трансформатора для исключения ложного срабатывания.

При подаче напряжения на входные обмотки трансформатора возникает ток подмагничивания, вызывающий неравенство входных и выходных токов. Ток подмагничивания имеет вид затухающих колебаний.

Без нагрузки это влияние достаточно мало и составляет не более одного процента. При включении трансформатора с нагрузкой или восстановлении работы энергосистемы после замыкания,  разность токов может привести к срабатыванию защиты.

Для компенсации этого явления ток включения дифзащиты выбирают большим, чем ток подмагничивания. Загрубление тока срабатывания может привести к несрабатыванию защиты даже при наличии КЗ внутри трансформатора.

Исключить влияния тока подмагничивания можно при помощи искусственной блокировки защиты при подключении высокого напряжения.

При возникновении повреждения трансформатора или замыкания его выводов при блокированном автоматическом отключении задержка может привести к аварии.

В случае, когда указанные способы отстройки дифзащиты неприменимы из-за недостатков, используют трансформаторы тока с быстронасыщаемым магнитопроводом, которые не реагирует на быстротечные колебания подмагничивающего тока.

Для правильной работы измерительных схемы необходимо чтобы фаза втекающих и вытекающих токов совпадала.

Для компенсации фазового сдвига обмотки токовых трансформаторов включаются по такой же схеме, как и защищаемый трансформатор. В случае использования схемы соединения  обмоток «треугольник»/«звезда», трансформаторы тока включаются по обратной схеме – на входе «звезда», на выходе – «треугольник».

На линии, соединяющие трансформаторы тока с исполнительными цепями автоматики, возможны влияния помех, приводящих к ложным срабатываниям защиты. Для предотвращения этого измерительные цепи должны быть надежно экранированы. Зачастую дифзащиту устанавливают на отдельно расположенных трансформаторах для исключения влияния помех от смежных устройств энергетики.

Коэффициенты трансформации измерительных цепей должны обеспечивать равенство токов на входе и на выходе. На практике это условие недостижимо, потому трансформаторы токов выпускаются со стандартными напряжениями. Для этого в измерительные цепи вводят согласующие трансформаторы и автотрансформаторы.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поделиться ссылкой:

Похожее

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА

Настоящее изобретение относится к электротехнике и может быть применено для защиты человека от поражения электрическим током, противопожарной защиты от теплового проявления токов утечки, а также токов перегрузки и короткого замыкания в составе автоматизированных систем управления и в устройствах их защитного отключения, реагирующих на дифференциальный (разностный) ток утечки и токи нагрузки.

В настоящее время в электротехнике применяются дифференциальные трансформаторы тока (Устройства защитного отключения, Учебно-справочное пособие. М.: ЗАО «Энергосервис», 2003 г., стр. 49-60, 95, 103-106), для которых характерно наличие сигнала небаланса (помехи) в полезном сигнале. Такие трансформаторы содержат тороидальный магнитомягкий сердечник с равномерной или сосредоточенной вторичной обмоткой и произвольно расположенную в окне сердечника трансформатора первичную обмотку, состоящую из проводников питающей сети.

В такой конструкции трансформатора магнитная связь проводников первичной обмотки с проводниками вторичной обмотки имеет случайный характер, поэтому сумма их потокосцеплений с проводниками вторичной обмотки имеет также случайный характер, и во вторичной обмотке наводится сигнал небаланса, который может отличаться не только по величине, но и по фазе. Поэтому при появлении тока утечки сигнал на выходе вторичной обмотки дифференциального трансформатора тока в одних случаях может увеличиваться, а в других уменьшаться. Это влияет на минимальный порог срабатывания устройств защитного отключения и ограничивает их применение в электроустановках с пиковыми или пусковыми токами, так как сигнал небаланса пропорционален току нагрузки, а это приводит к ложным, несанкционированным срабатываниям устройств защитного отключения. Пусковой орган (пороговый элемент) в устройствах защитного отключения выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах, а исполнительный механизм включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода.

Сигнал небаланса уменьшается в дифференциальном трансформаторе тока (патент РФ №2060568, класс H01F 38/28, 20.05.1996 г.), содержащий тороидальный сердечник из магнитомягкого материала с равномерно намотанной вторичной обмоткой, первичную n фазную обмотку, расположенную в окне сердечника, и экран из магнитомягкого материала, установленный между первичной и вторичной обмотками. Каждая фаза первичной обмотки трансформатора выполнена в виде секций, каждая из которых состоит из двух идентичных, параллельно соединенных проводников, равномерно расположенных по окружности и чередующихся между собой в порядке следования фаз, так что угол между фазными проводниками соседних секций составляет 180°/n. Расположение обмоток и экрана зафиксировано держателем из электроизоляционного материала. Экран выполнен так, что позволяет изменять электромагнитную связь между первичной и вторичной обмотками, при изменении мощности нагрузки для нормирования сигнала небаланса.

Принцип действия данного трансформатора аналогичен принципу действия известных проходных трансформаторов. Однако в нем за счет расщепления фазных проводников создаются потоки рассеяния, которые в каждый момент времени векторно противоположны друг другу и взаимокомпенсируются независимо от ассиметрии нагрузки. Это позволяет на порядок уменьшить сигнал небаланса в трехфазных трансформаторах тока, повысить чувствительность устройств защитного отключения и осуществить защиту мощных электроприемников с пусковыми и пиковыми токами.

Однако у таких дифференциальных трансформаторов тока наблюдается изменение сигнала небаланса при ассиметрии нагрузки, так как при этом изменяется ориентация элептического вращающегося магнитного поля рассеяния, относительно ассиметричной вторичной обмотки, которая имеет место из-за технологических и конструктивных погрешностей магнитной системы дифференциального трансформатора тока в целом, а экранирующее действие токов рассеяния экраном из магнитомягкого материала малоэффективно, так как экран уменьшает магнитное сопротивление потоку рассеяния, проходящему через него. При этом происходит компенсация вращающегося магнитного поля от фазных проводников, расположенных диаметрально противоположно. Сигнал от первичных потоков рассеивания уменьшается в два раза.

В двухфазных трансформаторах тока, при расщеплении фазных проводников на два одинаковых, сигнал небаланса уменьшается тоже в два раза.

Кроме этого рассмотренные дифференциальные трансформаторы тока не осуществляют гальванического разделения сигналов, пропорциональных току утечки и рабочему току, не «выдают» информацию о токах нагрузки, перегрузки, короткого замыкания и «требуют» одинаковых сопротивлений расщепленных проводников.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению являются дифференциальные трансформаторы тока (патенты РФ №2244972, 10.06.2003 г. и №2260865, 17.11.2003 г.).

В одном варианте изобретения дифференциального трансформатора тока с сердечником из магнитомягкого материала и держателем проводников первичная обмотка выполнена из двух проводников сети, расположенных диаметрально противоположно, и имеет две вторичные обмотки, две одинаково намотанные секции одной обмотки соединены встречно, каждая секция имеет n витков, и они симметрично расположены на одной оси с проводниками первичной обмотки, при этом две одинаково намотанные секции с m витками в каждой, другой обмотки соединены последовательно и расположены под углом 90° по отношению к проводникам первичной обмотки.

В другом варианте выполнения дифференциального трансформатора тока первичная обмотка выполнена из трех проводников трехфазной сети, одинаково расположенных под углом 120° относительно друг друга, и имеет четыре вторичные обмотки. Одна вторичная обмотка состоит из шести одинаково намотанных секций, соединенных последовательно через равные углы, каждая секция имеет n витков, а шесть одинаково намотанных секций с m витками в каждой попарно расположены диаметрально противоположно и соединены встречно в три обмотки, причем одна из секций каждой обмотки расположена напротив соответствующего проводника первичной обмотки.

В четырехпроводной сети через держатель дополнительно пропущен один нейтральный проводник, расположенный в центре держателя.

Технический результат данного изобретения заключается в гальваническом разделении разностного сигнала, пропорционального току утечки и сигнала небаланса, пропорционального току нагрузки. Однако чувствительность таких дифференциальных трансформаторов тока ограничена из-за намагничивания их сердечников первичными потоками рассеяния от рабочих токов, протекающих по проводникам сети в моменты действия пусковых и пиковых токов, что может приводить к отказу в отключении токов утечки по этой причине.

В трехфазных трехпроводных дифференциальных трансформаторах тока первичные потоки рассеяния образуют вторичный вращающийся магнитный поток рассеяния (помехи) Фиг. 2.

В трехфазных четырехпроводных дифференциальных трансформаторах тока из-за действия нулевых составляющих фазных токов образуется пульсирующий поток рассеяния от их действия, замыкающийся по хорде между фазными проводниками и нейтральным проводником Фиг. 3, который тоже является сигналом помехи.

Задачей данного изобретения является компенсация потоков рассеяния, что поясняется Фиг. 1, 2 и 3.

Дифференциальный трансформатор тока (ДТТ) утечки, согласно изобретению Фиг. 1, содержит тороидальный сердечник 1 из магнитомягкого материала и проходящие через него фазный и нулевой провода 2, являющиеся первичной обмоткой ДТТ.

Перпендикулярно горизонтальной оси расположена вторичная обмотка 3, состоящая из двух витков, соединенных параллельно и расположенных на одинаковом расстоянии относительно вертикальной оси.

Еще одна вторичная обмотка состоит из двух секций 4, с равным числом витков. Секции расположены соосно с проводниками сети по горизонтали и соединены параллельно, находятся между проводниками сети и магнитопроводом.

Для придания конструкции трансформатора жесткости в окне сердечника 1 установлен держатель 5 из электроизоляционного материала.

В электрическую цепь короткозамкнутой обмотки 3 включена обмотка поляризованного реле 6, которая приводит к действию устройство защитного отключения 7 при возникновении тока утечки.

В конструкции предусмотрен вариант включения исполнительного устройства 6 и 7 без гальванической развязки между точками А и Б.

Дифференциальный трансформатор тока Фиг. 2 содержит тороидальный сердечник 1, первичную обмотку из трех проводников 2 трехфазной сети, одинаково расположенных в держателе 5 из электроизоляционного материала под углом 120° по отношению друг к другу внутри сердечника 1.

Обмотка 3 расположена в зоне ослабленного магнитного поля, посредине между фазными проводниками первичной обмотки и в нее включены 6 и 7.

Три секции второй вторичной обмотки 4 одинаково расположены в полости дифференциального трансформатора тока вдоль фазных проводников между фазными проводниками и магнитопроводом и соединены параллельно по типу беличьего колеса.

Вторичные обмотки 3 и 4 можно использовать для подключения приборов контроля 8, 9, 10 и 11 и/или исполнительных устройств аналогично Фиг. 1.

На Фиг. 3 представлена схема включения дифференциального трансформатора тока в трехфазную цепь с нейтральным проводником, которая выполняет те же функции, что и в дифференциальном трансформаторе тока на Фиг. 2. ДТТ содержит дополнительно сетевой нейтральный проводник N. Все проводники 2 первичной обмотки ДТТ расположены под углом 90° в магнитопроводе 1.

Принцип действия предлагаемого дифференциального трансформатора тока заключается в следующем.

В отсутствии тока утечки основной магнитный поток в магнитопроводе 1 трансформатора равен нулю, так как сумма фазных токов и тока нейтрали равна нулю. Но так как по проводникам 2 первичной обмотки протекают токи, то вокруг них пульсируют магнитные потоки рассеяния Ф_н, направления которых показаны на Фиг. 1 и которые наводят одинаковые ЭДС помехи Е_н (небаланса), пропорциональные току нагрузки I_н в секциях обмотки 4. Направление Е_н связано с направлением магнитных потоков правилом «буравчика» Фиг. 1. Если секции обмотки 4 соединить параллельно, то на выходе будут протекать токи, пропорциональные току нагрузки.

Однако недостатком этих дифференциальных трансформаторов тока является то, что фазные проводники создают пульсирующее магнитное поле по вертикальной (или продольной) оси ΔФ_σн, которое в магнитопроводе дифференциального трансформатора тока пропорционально величине рабочего тока нагрузки I_н, расстоянию внутреннего диаметра трансформатора по воздуху 2R и сечению его магнитопровода S, поэтому в обмотке 3 имеет место сигнал небаланса (помехи).

При появлении тока утечки создается поток Ф_ут, который замыкается по магнитопроводу трансформатора и согласно принятому на Фиг. 1 направлению, наводит сигнал Е_ут, пропорциональный току утечки, в секциях обмотки 4 они взаимно компенсируются, так как они включены встречно, поэтому на сигнал 2Е_н в этой обмотке никакого влияния не оказывают.

Секции обмотки утечки 3 соединяются параллельно и располагаются в зонах ослабленного поля ΔФ_σн, так как на границе этого потока имеет место флуктуация.

На Фиг. 1 обмотка 3 состоит из двух параллельных короткозамкнутых секций, размещенных симметрично относительно осевого сечения магнитопровода в зоне ослабленного поля ΔФ_σн, и на ее выходе формируется сигнал Е_ут, пропорциональный току утечки.

Представленная конструкция ДТТ позволяет разделить сигнал утечки, пропорциональный току утечки в обмотке 3, и сигнал небаланса (помехи), пропорциональный току нагрузки в обмотке 4. Однако наличие ΔФ_σн ухудшает чувствительность ДТТ.

Для увеличения порога чувствительности ДТТ в обмотке 4 три секции соединены последовательно, а три – параллельно, поэтому возникающие потоки рассеяния направлены противоположно и компенсируются. Приведенная конструкция позволяет на порядок увеличить чувствительность ДТТ к токам утечки.

Таким образом, если в обмотку 3 ДТТ включить катушку поляризованного реле 6, то при появлении тока утечки будет срабатывать устройство защитного отключения 7.

Поляризованное реле 6 с исполнительным устройством 7 можно включить в обмотку с секциями 4 между точками А и Б, тогда в 6 начнет протекать ток кI_ут, что приведет к срабатыванию защиты.

Данные положения гальванического разделения сигнала могут быть использованы и для защиты электроприемников в трехфазных сетях при симметричных и несимметричных нагрузках.

На Фиг. 2 представлена схема включения дифференциального трансформатора тока в трехфазную сеть без нейтрального проводника. При отсутствии тока утечки основной магнитный поток в магнитопроводе трансформатора равен нулю, так как сумма токов в трехпроводной сети без нулевого провода равна нулю. Но так как по проводникам 2 первичной обмотки протекают фазные токи, то вокруг них пульсируют с частотой сети первичные потоки рассеивания Ф_σ1, направления которых показаны на Фиг. 2 для момента времени ωt=π/6, которые наводят в обмотках 4 ЭДС Е_н,_{одинаково пропорциональные мгновенному значению тока нагрузки при любом режиме работы, симметричном или несимметричном, так как магнитный поток Фσ1 в основном замыкается по воздуху, то магнитная проницаемость постоянна, и поэтому к(Iна+Iнв+Iнс)=0. Известно, что в симметричной трехфазной сети, какой является первичная обмотка дифференциального трансформатора тока при равенстве токов в фазных проводниках 2, потоки рассеяния Фσ1 создают результирующий магнитный поток Фσ2, направление которого показано на Фиг. 2 (Анисимов Ю.А., Малашенков Г.Н., Костарев Н.П. «Уравнение вращающегося кругового магнитного поля в трехфазных трансформаторах тока. Устройства защитного отключения». Электричество. 2003 г., №10, стр. 49-52).}

Применение короткозамкнутых витков 4, соединенных по типу «беличье колесо», расположенных на пути потоков рассеяния Ф_σ1, пульсирующих с частотой сети, уменьшают эти потоки за счет индуктируемой ЭДС, называемой трансформаторной, и токов кI_н от их действия, которые создают потоки Ф_σн, противоположно направленные, и компенсируют их, и, следовательно, вторичный поток ΔФ_σ2.

На Фиг. 2 показано направление потоков Ф_σ1 и Ф_σ2 для момента времени ωt=π/6 и направления токов кI_н в обмотках 4, суммы их равны нулю, так же как токов нагрузки Iа+Iв+Iс=0.

При появлении тока утечки создается поток Ф_ут, который замыкается по магнитопроводу и согласно принятому на Фиг. 2 направлению, наводит в каждой обмотке 3 и 4 сигнал Е_ут, пропорциональный току утечки.

Если в цепь обмотки 3 включить поляризованное реле 6, то будет срабатывать устройство защитного отключения 7.

Вместо 6 в цепь обмотки 3 можно включить миллиамперметр 8. ДТТ может быть дополнен включением в ветви с обмоткой 4 комплекта измерительных приборов и элементов защиты 9, 10, 11.

Кроме этого на магнитопроводе ДТТ Фиг. 1, 2, 3, можно расположить в зоне между фазными проводниками многовитковую обмотку напряжения 12, включенную на аналого-цифровой усилитель преобразователь 13, и обмотку подмагничивания 14 для увеличения чувствительности слаботочных сигналов от блоков имитации токов утечки.

Принцип действия дифференциального трансформатора тока Фиг. 3 аналогичен принципу действия дифференциального трансформатора тока на Фиг. 2. В нем проводники сети 2 расположены под углом 90°. Обмотка 3 расположена на магнитопроводе 1 между фазными проводниками, а обмотки 4 расположены между магнитопроводом и проводниками сети 2 и соединены параллельно по типу «беличьего колеса». Конструкция закреплена держателем проводников 5.

Отличие заключается в том, что при несимметричной нагрузке и наличии нейтрального провода Фиг. 3 появляются токи нулевой последовательности.

Токи нулевой последовательности не создают вращающегося магнитного поля, так как потоки, созданные токами нулевой последовательности, одновременно во всех трех фазных проводниках 2 на Фиг. 3 вынужденно пульсируют, замыкаясь по магнитопроводу ДТТ, и наводят в обмотках 3 и 4 сигнал, пропорциональный утроенному току нулевой последовательности. Но так как нейтральный проводник N на Фиг. 3 пропущен через ДТТ и по нему протекает утроенная нулевая составляющая несимметричной системы токов обратного направления, то происходит пульсация потока нулевой последовательности Ф_σо и Ф_σн, как показано на Фиг. 3.

При появлении тока утечки в секциях 3 и 4 наводится сигнал Е_ут, но так как секции 3 и 4 соединены на Фиг. 3 так же, как и на Фиг. 2, то на выходах обмотки 3 будет сигнал, пропорциональный Е_ут, а на выходах обмоток 4 будут сигналы, пропорциональные Е_а, Е_в, Е_с и E_N, так как обмотки 4 соединены накоротко, то в них протекают токи, пропорциональные токам в сетевых проводниках, и они создают потоки, противодействующие причине.

Это дает возможность на базе таких ДТТ разработать новые, более чувствительные к токам утечки защитные отключающие устройства с расширенными функциональными возможностями, позволяющие настраивать их на различные токи нагрузки, осуществляя защиту от токов перегрузки и короткого замыкания, исключив тепловые и электромагнитные расцепители из токовых цепей электроустановок, существующих аппаратов защиты, присутствие которых ведет к увеличению сопротивления защищаемых цепей как самими расцепителями, так и их добавочными переходными сопротивлениями, к повышению пожарной опасности по причинам ограничения токов короткого замыкания в защищаемых сетях, увеличению времени их срабатывания и увеличению тепловыделения по этим причинам. Используя дифференциальный трансформатор тока, можно изменять чувствительность к токам утечки, соблюдать условия селективности и не реагировать на пусковые и пиковые токи нагрузки. ДТТ могут быть унифицированы, а аппараты защиты выполняться на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах.

Наличие чувствительной дифференциальной (разностной) защиты и защиты от сверх токов снимает необходимость зануления и заземления потребителей, так как преднамеренное зануление и заземление потребителей способствует более быстрому разрушению изоляции электроустановок от теплового проявления токов утечки и пожарам по этой причине.

Дифференциальная защита трансформатора принцип действия, видео

Принцип действия дифференциальной защиты построен на применении первого закона Киргофа. Защищаемый объект принимается за узел, ток фиксируется полностью на всех ветвях, соединяющих объект с внешней электрической сетью. При повреждении на отходящей ветви, сумма токов, входящих и отходящих из узла, равна нулю.

При повреждении объекта, в случае КЗ, сумма токов в ветвях будет равна токам короткого замыкания.

Дифференциальная токовая защита трансформатора отличается от дифференциальной защиты высоковольтных линий и генераторов наличием неравенства первичных токов разных обмоток трансформаторов и несовпадением по фазе.

Дифференциальная защита трансформаторов применяется для предотвращения аварийных и ненормальных режимов работы при возникновении короткого замыкания между фазами, межвитковых КЗ и замыкания одной или более фаз на землю. Дифзащита применяется как основный вид автоматического отключения для мощных трансформаторов и для трансформаторов меньшей мощности, в случае если другие виды защиты не обеспечивают требуемого быстродействия.

Как работает дифзащита трансформатора

Дифференциальная защита работает  на сравнении величин токов в начале и в конце защищаемого участка, например и начале и конце обмоток силового трансформатора, генератора и т. п. В частности, участок между трансформаторами тока, установленными на высшей и низшей сторонах силового трансформатора, считается защищаемой зоной.

Рис 1. Дифференциальная защита трансформатора: а — токораспределение при нормальном режиме, б — то же при коротком замыкании в трансформаторе

Действия при срабатывании дифференциальной защиты трансформатора поясняется рис.1.

С обеих сторон трансформатора устанавливаются трансформаторы тока TT1 и ТТ2, вторичные обмотки которых включены последовательно. Параллельно им подключается токовое реле Т. Если характеристики трансформаторов тока будут одинаковы, то в нормальном режиме, а также при внешнем коротком замыкании токи во вторичных обмотках трансформаторов тока будут равны, разность их будет равна нулю, ток через обмотку токового реле Т протекать не будет, следовательно, защита действовать не будет.

При коротком замыкании в трансформаторе и в любой точке защищаемой зоны, например в обмотке трансформатора, по обмотке реле Т будет протекать ток, и если его величина будет равна току срабатывания реле или больше его, то реле сработает и через соответствующие вспомогательные приборы произведет двустороннее отключение поврежденного участка. Эта система будет действовать при междуфазных и межвитковых замыканиях.

Дифференциальная защита обладает высокой чувствительностью и является быстродействующей, так как для нее не требуется выдержки времени, она может выполняться с мгновенным действием, что и является ее главным положительным свойством. Однако она не обеспечивает защиты при внешних коротких замыканиях и может вызывать ложные отключения при обрыве в соединительных проводах вторичной цепи.

Рис. 2. Дифференциальная защита двух параллельно работающих трансформаторов

Зона действия дифференциальной защиты трансформатора (ДЗТ) ограничивается местом установки трансформаторов тока, и включает в себя ошиновку СН, НН и присоединение ТСН, включённого на шинный мост НН.

Ввиду её сравнительной сложности, дифференциальная защита устанавливается в следующих случаях:

• на одиночно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 6300 кВА и выше;
• на параллельно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 4000 кВА и выше;
• на трансформаторах мощностью 1000 кВА и выше, если токовая отсечка не обеспечивает необходимой чувствительности при КЗ на выводах высшего напряжения ( kч < 2 ), а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 0,5 сек.

Видео: Дифференциальная защита

Общие принципы работы дифференциальной защиты. Особенности выполнения защит отдельных элементов электрической сети: кабельной линии, трансформатора, генератора, сборных шин. Защиты ЛЭП-110 кВ: направленная с вч блокировкой, диффазная.

Читайте так же:

Принцип действия диф защиты трансформатора (ДЗТ): токи небаланса, ТТ, коэффициенты

Принцип действия продольных защит основан на первом законе Кирхгофа.

Условная схема дифференциальной защиты

Если принять за узел защищаемый объект (рис. 1.1) и фиксировать ток на всех ветвях, связывающих защищаемый объект (узел) с внешней сетью, то при повреждении на отходящей ветви сумма токов, входящих и выходящих из узла, будет равна нулю.

Рис. 1.1. Схема дифференциальной защиты с циркулирующими токами

При повреждении защищаемого объекта (КЗ в узле) сумма токов по ветвям будет равна току короткого замыкания.

По схеме на рис. 1.1 в нормальном нагрузочном режиме и при внешнем коротком замыкании (на исходящей ветви, за трансформатором тока в сторону сети) во вспомогательных проводах, соединяющих вторичные обмотки трансформаторов тока, циркулируют токи, равные вторичным токам ТТ.

Поэтому такое выполнение продольной дифференциальной защиты именуется схемой с циркулирующими токами. Другим вариантом исполнения дифференциального принципа (рис. 1.2) является схема с уравновешенными напряжениями, в которой вторичные обмотки ТТ соединяются между собой последовательно, и в эту же цепь включен реагирующий орган (дифференциальное реле). Считается, что одноименные концы первичной и вторичной обмоток ТТ расположены с одной стороны. Ток в реле будет равен:

(1–1)

где Z – сумма сопротивлений вспомогательных проводов, обмотки реле и обмоток ТТ.

Рис. 1.2. Схема дифференциальной защиты с уравновешенными напряжениями

В нормальном режиме и коротком замыкании вне зоны действия Е1 = Е2 и направлены в противоположные стороны, ток в реле равен нулю.

При повреждении в защищаемой зоне Е1 ≠ Е2, но направлены в одну сторону, ток в реле не равен нулю и, если он превышает ток срабатывания, то защита отключит поврежденный элемент.

В схеме с уравновешенными напряжениями в нормальном режиме и внешних коротких замыканиях токи во вторичных обмотках ТТ отсутствуют, и ТТ работают в режиме холостого хода. Это может привести к недопустимому перегреву ТТ и появлению высоких напряжений во вторичных цепях, поэтому схема с уравновешенными напряжениями со стандартными трансформаторами тока по рис. 1.2 не применяется, обычно устанавливаются специальные промежуточные ТТ. Кроме того, схема требует использования максимально близких по характеристикам ТТ. Таким образом, схема с уравновешенными напряжениями получается более сложной, чем с циркулирующими токами, и поэтому она получила ограниченное применение.

В свою очередь схема с циркулирующими токами может выполняться в двух вариантах: с малым сопротивлением и с большим сопротивлением дифференциальной цепи реле.

Достоинством схемы с малым сопротивлением дифференциального реле является шунтировка измерительных ТТ, что максимально устраняет их влияние друг на друга.

Достоинством схемы с большим сопротивлением дифференциальной цепи является автоматическое загрубление защиты при насыщении какого-либо ТТ при внешнем КЗ, так как в этом случае малое сопротивление ветви намагничивания насыщенного ТТ шунтирует дифференциальную цепь, уменьшая ток (напряжение) небаланса.

Чаще всего схема с большим сопротивлением дифференциальной цепи применяется при выполнении дифференциальных защит шин, где возможно глубокое насыщение ТТ на том присоединении, где произошло внешнее для дифференциальной защиты КЗ и в чувствительных дифференциальных защитах от замыканий на землю. В настоящее время в связи с уменьшением затрат на реализацию сложных алгоритмов при переходе на электронную элементную базу изготовления реле, схема с большим сопротивлением вытесняется защитами с малым сопротивлением дифференциального реле.

При рассмотрении принципа действия дифференциальных защит было принято, что в нагрузочном режиме и в режиме внешнего короткого замыкания ток в дифференциальной цепи равен нулю. Это возможно только в том случае, если вторичные токи ТТ точно равны первичным приведенным токам, т. е.

В действительности в дифференциальной цепи в этих режимах протекает ток, называемый током небаланса.

Определим, из каких составляющих складывается ток небаланса.

Погрешность ТТ в работе диф защиты трансформатора

Эта составляющая тока небаланса характерна для всех дифференциальных защит и вызвана тем, что вторичный ток равен:

(1 – 2)

где I_втор. – вторичный ток ТТ;
I’_перв. – приведенный ко вторичной обмотке первичный ток;
I’_нам. – приведенный ко вторичной обмотке ток намагничивания.
Ток в реле – ток небаланса – равен (для дифференциальной защиты с двумя ветвями):

где I_втор.1, I’_перв.1, I’_нам.1 – вторичный, приведенный первичный и приведенный ток намагничивания ТТ первой ветви;
I_втор.2, I’_перв.2, I’_нам.2 – то же для второй ветви.
При условии, что первичные токи защищаемого объекта равны первичным токам ТТ при внешнем коротком замыкании:
Ток небаланса будет равен:

(1 – 4)

В общем случае ток небаланса равен геометрической сумме токов намагничивания всех ветвей дифференциальной защиты:

(1 – 5)

Для того чтобы выявить влияние нагрузок ТТ и сопротивления дифференциального реле на ток небаланса, составим схему замещения дифференциальной защиты [3]:

Рис. 1. 3. Схема замещения дифференциальной токовой защиты

На рис. 1. 3. введены следующие обозначения:
Z’_перв1, Z’_нам1, Z_втор1 – приведенные сопротивления первичной обмотки и ветви намагничивания,сопротивление вторичной обмотки ТТ первой ветви;
Z’_перв2, Z’_нам2, Z_втор1 – то же для второй ветви;
I’_перв1, I’_нам1, I_втор1 – приведенные первичный ток, ток намагничивания и вторичный ток ТТ первой ветви;
I’_перв2, I’_нам1, I_втор1 – то же для второй ветви;
I_Р, Z_РО – ток в цепи дифференциального реле и сопротивление дифференциального реле;
r_пр1, r_пр2 – сопротивление соединительных проводов от ТТ до дифференциального реле для первой и второй ветви.

Принимая, что все сопротивления по рис. 1. 3 являются линейными элементами и составив для этой схемы уравнения по законам Кирхгофа, получим для I_нб при внешнем КЗ, когда I’_перв1 = I’ _перв2:

(1 – 6)

где Z₂ = Z_втор2 + r_пр2 ; Z₁ = Z_втор1 + r_пр1;
Z’_нам1 • Z’_нам2 = Z’ ²_нам;
Z’_нам1 + Z’_нам2 = 2Z’_нам.
Анализ формулы (1 – 6) показывает, что для снижения тока небаланса необходимо для менее мощных ТТ (имеющих меньшее сопротивление намагничивания) уменьшать внешнюю нагрузку.

К сожалению, для большинства трансформаторов со схемой соединения обмоток «звезда – треугольник», как раз для менее мощных ТТ, на стороне «звезды» нагрузка должна быть увеличена в три раза за счет соединения ТТ в «треугольник», что приводит к большой погрешности ТТ, к увеличению тока небаланса и соответственно к увеличению тока срабатывания дифференциальной защиты.

В переходных режимах работы токи небаланса могут во много раз превосходить установившиеся значения. Проведенные исследования показали, что переходный ток небаланса может содержать значительную апериодическую составляющую, причем при равенстве сопротивления плеч и идентичности вольт-амперных характеристик ТТ ток небаланса представляет однополярный сигнал.

При неравенстве сопротивления плеч ТТ в токе небаланса появляются отрицательные полуволны [4]. На переходный процесс оказывают значительное влияние постоянные времени первичной и вторичной цепи – с их возрастанием токи небаланса увеличиваются, а сам переходный процесс затягивается.

Для обеспечения правильного функционирования дифференциальной защиты необходимо ток срабатывания защиты отстроить от токов небаланса, вызванных погрешностью ТТ в режиме максимального тока внешнего короткого замыкания.

Ввиду сложности расчетов для реальных ТТ переходных токов небаланса, ток срабатывания дифференциальных защит выбирают по условию отстройки от установившегося тока небаланса, а учет переходного режима производится введением повышающего коэффициента kпер, который определяет степень конструктивной отстройки дифференциального реле от переходного режима (реле с промежуточными насыщающимися ТТ, реле с время-импульсной схемой и т.д.).

Для дифференциальных защит, в которых объединяются ТТ нескольких сторон защищаемого объекта, ток небаланса, вызванный погрешностями ТТ, определяется в режиме, когда ТТ одной стороны работают с допустимой погрешностью, а ТТ других – без погрешности.

В этом случае разность токов сторон будет протекать в дифференциальной цепи и определять ток небаланса.

Максимальная допустимая полная погрешность ТТ для дифференциальных защит в установившемся режиме максимального тока внешнего КЗ не должна превышать 10%.

Если для дифференциальной защиты используются ТТ одинакового типа, с одним коэффициентом трансформации, работающие примерно в одинаковых условиях, то мало вероятно, чтобы погрешность, с одной стороны, была равна допустимой, а с другой – равна нулю. Для учета таких условий работы ТТ (в формуле определения тока небаланса) вводится коэффициент однотипности ТТ, равный 0,5.

Таким образом, составляющая тока небаланса, вызванная погрешностью ТТ, определяется:

(1 – 7)

где k_пер – коэффициент, учитывающий переходный режим;
k_одн – коэффициент однотипности ТТ, который принимается равным 1,0 или 0,5 в зависимости от условий работы ТТ;
ε – полная погрешность ТТ в установившемся режиме при расчетном токе внешнего металлического КЗ;
I_{КЗ макс} – максимальное значение тока при установившемся внешнем металлическом КЗ.

Защита с током срабатывания, выбранным по условию отстройки от тока небаланса по (1–7), не обеспечивает требование необходимой чувствительности защиты, поэтому применяют различные способы повышения чувствительности и отстройки от тока небаланса. Традиционным способом отстройки от токов небаланса является процентное торможение, под которым понимается возрастание тока срабатывания дифференциального реле с увеличением тормозного тока. В качестве тормозного тока можно использовать фазный ток одной или нескольких сторон защиты, полусумму абсолютных значений токов сторон защиты и т.п.

Компенсация угловых сдвигов первичных токов и исключение токов нулевой чувствительности

Для силовых трансформаторов со схемой соединения «звезда−треугольник» между токами высшего и низшего напряжения существует угловой сдвиг с кратностью в 300. Без принятия мер для компенсации этого сдвига потребовалось бы значительное загрубление дифференциальной защиты по току срабатывания. Поэтому угловой сдвиг первичных токов компенсируется соответствующим поворотом вторичных токов на одной из сторон трансформатора.

Первичный поворот токов происходит из-за соединения обмоток трансформатора в «треугольник». Поэтому для компенсации фазовой погрешности трансформаторы тока тоже соединяются в треугольник.

Теоретически безразлично, на какой стороне соединить трансформаторы тока в «треугольник». Однако для силового трансформатора с заземленной нулевой точкой на стороне «звезда» при внешнем повреждении на землю со стороны нейтрали протекают токи нулевой последовательности – нейтраль «генерирует» токи нулевой последовательности. Эти токи трансформируются во вторичную цепь на стороне высшего напряжения, а на стороне «треугольника» в трансформаторах тока эти токи отсутствуют, так как первичные токи нулевой последовательности циркулируют внутри обмотки «треугольника» и не выходят во внешнюю цепь. Таким образом, весь ток нулевой последовательности со стороны «звезды» трансформатора будет протекать в дифференциальную цепь.

Для предотвращения ложного срабатывания дифференциальной защиты необходимо подавить токи нулевой последовательности в дифференциальной цепи.

Соединение трансформаторов тока на стороне «звезды» силового трансформатора в «треугольник» обеспечивает, с одной стороны, компенсацию углового сдвига первичных токов и, с другой стороны, отсутствие тока нулевой последовательности в дифференциальной цепи за счет того, что токи нулевой последовательности циркулируют внутри схемы «треугольника» трансформаторов тока.

Следует заметить, что соединение трансформаторов тока в «треугольник» увеличивает нагрузку вторичной цепи в три раза, что может привести к увеличению погрешности трансформаторов тока, необходимости увеличения сечения контрольных кабелей, замены трансформаторов тока и т.д.

В современных цифровых дифференциальных защитах компенсация углового сдвига токов и исключение токов нулевой последовательности обеспечивается программными средствами, что позволяет на всех сторонах силового трансформатора соединять трансформаторы тока в «звезду».

Интересное видео о защите силового трансформатора:

Разные коэффициенты ТТ в ДЗТ

Для выравнивания вторичных токов с разных сторон силового трансформатора необходимо, чтобы номинальные первичные токи силового трансформатора были равны номинальным первичным токам ТТ, а при соединении ТТ в «треугольник» – номинальный первичный ток ТТ был в √3 раз меньше номинального тока этой стороны силового трансформатора.

ТТ имеют стандартную шкалу номинальных значений, поэтому для выравнивания вторичных токов с разных сторон трансформатора используются промежуточные автотрансформаторы (трансформаторы) или магнитное выравнивание с помощью подключения цепей вторичных токов к разным числам витков.

Однако все эти способы не позволяют точно сбалансировать вторичные токи (невозможность установки дробного числа витков или из-за дискретности отпаек витков обмотки и т.п.), поэтому появляется дополнительная составляющая тока небаланса. Эта составляющая определяется:

(1 – 8 )

где W_расч – расчетное число витков;
W_уст – установленное число витков.
Расчетное число витков определяется по выражению:

(1 – 9)

где W_осн и I_{ном. осн} – число витков и номинальный ток стороны защищаемого трансформатора, принятой в расчете за основную;
W_расч и I_ном – расчетное число витков и номинальный ток стороны защищаемого трансформатора, принятой в расчете за неосновную.

Следует отметить, что в современных цифровых реле удается минимизировать эту составляющую тока небаланса (до уровня ≈ 1%).

Регулировка коэффициента трансформации силовых трансформаторов

Выравнивание вторичных токов ТТ производится при одном определенном коэффициенте трансформации силового трансформатора (при номинальном или оптимальном положении регулятора). При изменении положения регулятора напряжения равенство токов (ампер-витков) нарушается.

В дифференциальной цепи появляется еще одна составляющая тока небаланса, которая определяется по формуле:

(1 – 10)

где Δu – относительное максимальное изменение коэффициента силового трансформатора от номинального (оптимального) значения.

Ток намагничивания при работе ДЗТ

Основной особенностью дифференциальных защит трансформаторов является неравенство нулю суммы МДС его обмоток из-за необходимости создания в сердечнике трансформатора основного потока, т.е. отношение токов по сторонам трансформатора не равно отношению числа витков за счет наличия тока намагничивания.

Поэтому в токе небаланса появляется еще одна составляющая – ток намагничивания. В нормальном режиме ток намагничивания не превышает 1 – 2% номинального тока и практически не учитывается при выборе тока срабатывания дифференциальной защиты.

Однако в режимах перевозбуждения его величина может возрасти до значений, соизмеримых с током срабатывания дифференциальной защиты.

Режим перевозбуждения возможен при повышении напряжения обмотки свыше номинального или при снижении частоты, этот режим можно характеризовать краткостью перевозбуждения:

(1 – 11)

где – В_ном, u_ном, f_ном – номинальные значения индукции в сердечнике, напряжения и частоты.
При перевозбуждении увеличиваются потери в трансформаторе на гистерезис и вихревые токи, происходит нагрев до недопустимых температур конструктивных элементов, что приводит к нагреву изоляции и ее повреждению, поэтому режим перевозбуждения должен быть ограничен во времени.

Т а б л и ц а 1-1

Максимальное допустимое время существования режима перевозбуждения [1]

Кроме повышения напряжения или снижения частоты, которые собственно и являются причинами перевозбуждения, этот режим характеризуется появлением в дифференциальном токе пятой, седьмой, а при схеме соединения ТТ дифференциальной защиты «звезда−звезда» еще и третьей гармоник. Так как насыщение сердечников силового трансформатора происходит в оба полупериода, то в токе намагничивания отсутствует постоянная составляющая.

При подаче напряжения на трансформатор или при восстановлении напряжения после отключения короткого замыкания ток намагничивания резко возрастает и может достичь значений пяти−восьмикратных от номинального, причем большая часть броска тока намагничивания протекает со стороны подачи напряжения, а в режиме холостого хода весь ток намагничивания проходит со стороны питания, т.е. этот ток будет проходить в дифференциальную цепь.

Поэтому должны быть выявлены признаки, по которым можно отличить бросок тока намагничивания от тока короткого замыкания из-за повреждения трансформатора.

Рассмотрим физические процессы, которые происходят при включении трансформатора на примере однофазного трансформатора (рис. 1. 4). Если в момент включения напряжение питания проходит через нулевое значение, то установившееся значение магнитного потока должно быть близко к максимальному. Магнитный поток в сердечнике трансформатора не может измениться мгновенно, что приводит к возникновению свободной апериодической составляющей потока, величина которой должна быть такой величины, чтобы результирующий магнитный поток был равен нулю или остаточному потоку, если к моменту включения в магнитопроводе существовал остаточный поток. В результате кривая результирующего магнитного потока оказывается смещенной относительно нулевой линии. В пределе через половину периода результирующий магнитный поток может принять двойное значение и более при наличии остаточной индукции с неблагоприятным знаком.

Насыщение магнитопровода и вызывает появление значительных бросков тока намагничивания.

Рис. 1.4. Бросок тока намагничивания однофазного трансформатора

В трехфазных трансформаторах на броски тока намагничивания каждой фазы оказывают влияние магнитные потоки в сердечниках других фаз и обмотки трансформатора, соединенные в «треугольник». В зависимости от момента подачи напряжения, режима нейтрали, групп соединения обмоток трансформатора, (трехстержневой трансформатор или состоит из однофазных трансформаторов) бросок тока намагничивания может быть двух видов.

В первом случае во всех трех фазах броски тока намагничивания имеют однополярный характер, причем в одной фазе бросок тока намагничивания будет максимальным, в двух других – одинаковые и противоположные по знаку первой фазы.

Во втором случае в двух фазах броски тока намагничивания имеют однополярный характер разного знака, а в третьей фазе – периодический характер. Периодический бросок тока намагничивания может достигать двукратного значения номинального тока трансформатора. Идеализированные формы двух видов броска тока намагничивания показаны на рис 1.5, а осциллограмма взятия под напряжение трансформатора с броском тока намагничивания второго вида приведена на рис. 1.6.

Рис. 1.5. Идеализированные формы бросков тока намагничивания первого и второго вида

Рис. 1.6. Осциллограммы токов намагничивания при взятии под напряжение силового трансформатора

При соединении ТТ дифференциальной защиты в «треугольник» при однополярных бросках тока намагничивания в дифференциальной цепи одной из фаз (где протекает разность токов) может появиться вторичный ток периодического характера.

После насыщения ТТ однополярным броском тока намагничивания во вторичном токе также появляются отрицательные полуволны.

Анализ кривых трехфазного броска тока намагничивания показывает следующие его характерные особенности:

• бросок тока намагничивания, по крайней мере в двух фазах, носит апериодический характер;
• апериодический бросок тока намагничивания в пределах одного периода имеет только один максимум и существенную токовую паузу в то время как ток короткого замыкания – два максимума за период;
• в периодическом броске тока намагничивания имеется бестоковая пауза, меньшая по длительности, чем при апериодическом броске;
• бросок тока намагничивания содержит высшие гармонические составляющие: вторую, третью и т.д., особенно велика доля второй гармоники. Даже в периодическом броске тока намагничивания доля второй гармонической составляющей велика.

К сожалению, при повреждении в зоне действия дифференциальной защиты ток короткого замыкания может иметь (как и при броске тока намагничивания) быстро затухающую апериодическую составляющую.

При насыщении трансформаторов тока апериодической составляющей первичного тока во вторичном токе появятся четные гармоники. При больших кратностях тока короткого замыкания в режиме глубокого насыщения трансформаторов тока во вторичном токе могут появиться и паузы. Таким образом, все признаки броска тока намагничивания присущи и вторичному току при больших величинах тока короткого замыкания в зоне работы дифференциальной защиты. Поэтому высокочувствительные дифференциальные защиты трансформаторов, использующие для блокировки один из перечисленных признаков броска тока намагничивания, могут правильно работать только в определенном диапазоне токов.

При токах, когда погрешности трансформаторов тока могут привести (в результате блокировки) к замедлению действия защиты или ее отказу, предусматривается грубая дифференциальная защита, отстроенная по току срабатывания от броска тока намагничивания, так называемая дифференциальная отсечка.

ПУЭ допускает использование дифференциальной отсечки как основной защиты на трансформаторах мощностью до 25 МВ•А. Для дифференциальной отсечки с электромагнитным токовым и выходным промежуточным реле ток срабатывания может быть принят трех–четырехкратным номинального тока трансформатора.

Дифференциальная защита трансформатора — работа и проблемы, связанные с системой дифференциальной защиты

Трансформатор — одно из основных устройств в энергосистеме. Это статическое устройство, полностью закрытое и обычно погруженное в масло, поэтому неисправности на них обычно возникают редко. Но последствия даже редкой неисправности могут быть очень серьезными для силового трансформатора. Следовательно, защита силового трансформатора от возможной неисправности очень важна.

Повреждение трансформатора в основном подразделяется на два типа: внешние и внутренние.Внешняя неисправность устраняется системой реле вне трансформатора в кратчайшие сроки, чтобы избежать любой опасности для трансформатора из-за этих неисправностей. Защита от внутренних повреждений в трансформаторе такого типа должна быть обеспечена с помощью системы дифференциальной защиты.

Дифференциальные схемы защиты в основном используются для защиты от межфазных замыканий и замыканий на землю. Дифференциальная защита силовых трансформаторов основана на принципе циркулирующего тока Merz-Prize.Такие типы защиты обычно используются для трансформаторов мощностью более 2 МВА.

Разъем для дифференциальной защиты трансформатора

Силовой трансформатор соединен звездой с одной стороны и треугольником с другой. ТТ на стороне, соединенной звездой, соединены треугольником, а трансформаторы на стороне соединения треугольником — звездой. Нейтраль соединения звездой трансформатора тока и соединения звездой силового трансформатора заземлены.

Ограничительная катушка подключена между вторичной обмоткой трансформаторов тока.Сдерживающие катушки контролируют чувствительную активность, происходящую в системе. Катушка управления расположена между точкой отвода ограничительной катушки и точкой звезды вторичных обмоток трансформатора тока.

Работа системы дифференциальной защиты

Обычно рабочая катушка не пропускает ток, поскольку ток уравновешен на обеих сторонах силовых трансформаторов. Когда в обмотках силового трансформатора происходит внутреннее повреждение, балансировка нарушается, и рабочие катушки дифференциального реле пропускают ток, соответствующий разнице тока между двумя сторонами трансформатора.Таким образом, реле отключает главные автоматические выключатели с обеих сторон силовых трансформаторов.

Проблема, связанная с системой дифференциальной защиты

При подаче питания на трансформатор в трансформаторе протекает кратковременный бросок тока намагничивания. Этот ток в 10 раз больше тока полной нагрузки и, соответственно, его спада. Этот ток намагничивания протекает в первичной обмотке силовых трансформаторов, из-за чего он вызывает разницу в выходном токе трансформатора и делает дифференциальную защиту трансформатора более высокой. действуют ложно.

Чтобы решить эту проблему, поперек катушки реле размещается плавкий предохранитель. Эти предохранители являются предохранителями с ограничением по времени с обратной характеристикой и не срабатывают при кратковременном переключении в импульсном режиме. При возникновении неисправности предохранители перегорают, и ток повреждения течет через катушки реле и приводит в действие систему защиты. Эту проблему также можно решить, используя реле с обратной и определенной характеристикой минимального типа вместо мгновенного типа.

.

Что такое LVDT? | линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор

LVDT (линейный регулируемый дифференциальный трансформатор = представляет собой электромеханический датчик, используемый для преобразования механического движения или вибраций, в частности прямолинейного движения, в переменный электрический ток, напряжение или электрические сигналы и обратно. Приводные механизмы используются в основном для систем автоматического управления или в качестве механические датчики движения в измерительной технике Классификация электромеханических преобразователей включает принципы преобразования или типы выходных сигналов.

Короче говоря, линейный преобразователь обеспечивает величину выходного напряжения, связанную с измеряемыми параметрами, например силой, для простой обработки сигнала. Устройства LVDT Sensor чувствительны к электромагнитным помехам. Снижение электрического сопротивления можно улучшить с помощью более коротких соединительных кабелей, чтобы исключить значительные ошибки. Для датчика линейных перемещений требуется от трех до четырех соединительных проводов для питания и подачи выходного сигнала.

Физически конструкция LVDT представляет собой полый металлический цилиндр, в котором вал меньшего диаметра свободно перемещается вперед и назад вдоль длинной оси цилиндра.Вал или толкатель заканчивается магнитопроводящим сердечником, который должен находиться внутри цилиндра или узла катушки во время работы устройства.

В обычной практике толкатель физически прикреплен к подвижному объекту, положение которого должно быть определено (измеряемая величина), а узел катушки прикреплен к фиксированной контрольной точке. Движение измеряемой величины перемещает сердечник внутри узла катушки; это движение измеряется электрически.

Принципы преобразования:

• Электромагнитный
• Магнитоэлектрический
• Электростатический

Выходные сигналы:

• Аналоговый и дискретный выход
• Цифровой

Оценка электромеханических преобразователей:

• Статические и динамические характеристики
• Чувствительность или коэффициент передачи — E = Δy / Δx или Δy — это изменение выходной величины y, когда входная величина x изменяется на Δx
• Выходной сигнал — диапазон рабочих частот
• Статическая ошибка преобразования или сигнала

Виды ЛВДЦ

LD400: Миниатюрные преобразователи смещения постоянного тока с ацеталевым подшипником
Датчики LVDT — определяют, нужно ли вам измерять относительный ток: C-in, AC-out, DC-in, DC-out; или измерение резонансных частот катушек в зависимости от положения катушек, устройства на основе частоты.

Невыпадающая арматура: Эти механизмы лучше подходят для больших рабочих диапазонов. Невыпадающие якоря помогают предотвратить перекос, поскольку они направляются и удерживаются узлами с низким коэффициентом трения.

Неуправляемые якоря: Бесконечное качество разрешения, механизм LVDT неуправляемого якоря представляет собой износостойкую конструкцию, которая не ограничивает разрешающую способность измеренных данных. Этот тип механизма прикрепляется к измеряемому образцу, свободно вставляется в трубку, что требует отдельной поддержки корпуса линейного преобразователя.

Якоря с принудительным выдвижением: Используйте внутренние пружинные механизмы, пневматическое усилие или электродвигатели, чтобы постоянно толкать якорь до максимально возможного полного выдвижения. Якоря с принудительным удлинением используются в LVDT для малоподвижных приложений. Эти механизмы не требуют соединения между образцом и якорем.

Линейные преобразователи переменного смещения обычно используются в современных обрабатывающих инструментах, авионике, робототехнике, а также в компьютеризованном управлении движением и автоматизации производства.Выбор применимого типа LVDT может быть рассмотрен со следующими характеристиками:

LVDT linearity: Максимальное отклонение от прямой зависимости между измеренным расстоянием и выходным расстоянием в диапазоне измерения.

> 0,025 ±% полной шкалы
0,025 — 0,20 ±% полной шкалы
0,20 — 0,50 ±% полной шкалы
0,50 — 0,90 ±% полной шкалы
0,90 — ±% полной шкалы и более

Рабочие температуры: > — 32ºF, от -32 до 32ºF, от 32 до 175ºF, от 175 до 257ºF, 257ºF и выше.Диапазон температур, в котором устройство должно точно работать.

Диапазоны измерения: 0,02 дюйма, 0,02–0,32 дюйма, 0,32–4,0 дюйма, 4,0–20,0 дюйма, ± 20,0 дюйма (диапазон измерения или максимальное измеренное расстояние)

Точность LVDT: Описывает процент отклонения от фактическое / реальное значение данных измерений.

Выход: Напряжение, ток или частота

Интерфейс: Последовательный — стандартный протокол цифрового вывода (последовательный), такой как RS232, или параллельный — Стандартный протокол цифрового вывода (параллельный), такой как IEEE488 .

Тип LVDT: Токовый баланс AC / AC, DC / DC или на основе частоты

LD320: Датчики смещения LVDT переменного тока высокой точности

Смещение:
Преобразователь линейного смещения — это электрический преобразователь, используемый для измерения линейного положения. Линейное смещение — это движение объекта в одном направлении вдоль одной оси. Измерение смещения указывает направление движения. Выходной сигнал датчика линейного перемещения представляет собой измерение расстояния, пройденного объектом, в миллиметрах (мм) или дюймах (дюймах).Прецизионные преобразователи смещения LVDT устанавливаются на большинстве современных производственных линий для автоматического измерения при сортировке, применениях «не годится» и в операциях по обеспечению качества. Конструкция валов из закаленной стали, уплотнительных колец и титановых толкателей оптимизирует прецизионную работу в большинстве промышленных условий. Использование гибридных ИС-модулей обеспечивает линейный выходной сигнал мВ / В / мм или мВ / В / дюйм для взаимодействия со стандартными измерителями входа постоянного тока, промышленными контроллерами, записывающими устройствами и интерфейсами данных.Датчики

LVDT спроектированы и предназначены для использования во многих отраслях:

LD500: Прецизионные измерительные преобразователи постоянного тока LVDT для контроля качества или автоматизации

• Общего назначения
• Аэрокосмическая промышленность
• Промывочная диафрагма
• Heavy Duty / Industrial
• Опасная зона
• Монтаж на печатной плате
• Высокая точность
• Погружной
• Сантехника
• Специально для специальных целей

Электрически LVDT представляет собой устройство взаимной индуктивности.Внутри катушечной сборки находятся три обмотки трансформатора. Центральная первичная обмотка окружена двумя вторичными обмотками, по одной с каждой стороны; вторичные выходы соединены вместе, образуя последовательно встречный контур. Возбуждение переменного тока применяется к первичной обмотке, вызывая индукционные токи во вторичных обмотках, которые опосредуются магнитопроводящим сердечником. Когда сердечник находится в мертвой точке (на равном расстоянии от обеих вторичных обмоток), на вторичных выходах не появляется напряжение. Как только сердечник перемещается даже на минимальную величину, на вторичном выходе индуцируется дифференциальное напряжение.Фаза напряжения определяется направлением смещения сердечника; амплитуда определяется более или менее линейно величиной отклонения сердечника от центра.
Типовые преобразователи LVDT

Эта дифференциальная конструкция дает LVDT значительное преимущество перед устройствами потенциометрического типа, поскольку разрешение не ограничивается расстоянием между обмотками катушки. В линейном преобразователе любое движение сердечника вызывает пропорциональное изменение выходного сигнала. Таким образом, LVDT имеет теоретически бесконечное разрешение: на практике разрешение ограничено только внешней выходной электроникой и физическими подвесками.

Поскольку это трансформатор, LVDT требует управляющего сигнала переменного тока. Специальный блок электроники или формирователь сигнала обычно используется для генерации этого управляющего сигнала, а также для преобразования аналогового выхода переменного тока устройства в + 5 В постоянного тока, 4–20 мА или в какой-либо другой формат, совместимый с оборудованием ниже по потоку. Эта схема может быть внешней или может быть размещена внутри корпуса преобразователя. Внутренняя электроника позволяет пользователю подавать на преобразователь сигнал постоянного тока умеренного качества, что часто является преимуществом в приложениях с батарейным питанием и на борту транспортных средств.Однако внешняя электроника предлагает более высокое качество и может предоставлять дополнительные функции, такие как калибровка, чтобы обеспечить прямое считывание в технических единицах.

Как работает LVDT?

Принцип поворотно-регулируемого дифференциального трансформатора

Преобразователь линейных перемещений представляет собой миниатюрный трансформатор с одной первичной обмоткой, двумя симметрично намотанными вторичными обмотками и сердечником якоря, который может свободно перемещаться вдоль своей линейной оси в направляющих точных подшипников.Шток-толкатель соединяет контролируемый компонент с сердечником якоря, так что смещение этого компонента перемещает сердечник не по центру.

Типичный датчик LVDT имеет три соленоидные катушки, выровненные встык, окружающие трубку. Первичная обмотка находится в центре, а вторичные обмотки — сверху и снизу. Объект измерения положения прикреплен к цилиндрическому ферроматическому сердечнику и скользит по оси трубки. Переменный ток приводит в действие первичную катушку, вызывая напряжение, индуцируемое в двух вторичных катушках, пропорциональное длине соединительного сердечника.Диапазон частот обычно от 1 до 10 кГц.

Движение сердечника запускает связь от первичной к обеим вторичным катушкам, что изменяет наведенные напряжения. Дифференциал верхнего и нижнего вторичного выходного напряжения — это отклонение от калиброванной нулевой фазы. Использование синхронного детектора считывает выходное напряжение со знаком, которое относится к смещению. Линейные преобразователи LVDT могут иметь длину до нескольких дюймов и работать как датчик абсолютного положения, который является повторяемым и воспроизводимым.Другие действия или движения не повлияют на точность измерения. LVDT также отличается высокой надежностью, поскольку скользящий сердечник не касается внутренней части трубки и позволяет датчику находиться в полностью герметичной среде.

LVDT — это устройство переменного тока, что означает, что электроника должна преобразовывать его выходной сигнал в полезный сигнал постоянного тока. В основе обработки сигналов LVDT лежат два гибридных модуля; Осциллятор и Демодулятор.

осциллятор предназначен для обеспечения стабильного синусоидального сигнала для приведения в действие датчика, и ссылку прямоугольной формы для демодулятора.Демодулятор предназначен для усиления выходного сигнала преобразователя и преобразования его в высокоточное постоянное напряжение, которое прямо пропорционально смещению.

Для работы линейного преобразователя необходимо возбуждать первичную обмотку синусоидальной волной, а выходной сигнал вторичных обмоток состоит из синусоидальной волны с информацией о положении, содержащейся в амплитуде и фазе. Выходной сигнал в центре хода равен нулю, возрастая до максимальной амплитуды на любом конце хода.Выход находится в фазе с первичным приводом на одном конце хода и не в фазе на другом конце.

В высококачественном датчике линейных перемещений соотношение между положением и фазой / амплитудой является линейным. Осциллятор и демодулятор упрощают переход между положением и фазой / амплитудой.

Описание автогенератора

Функция осциллятора заключается в обеспечении точного синусоидального напряжения для управления преобразователем, стабильного как по амплитуде, так и по частоте.Он также обеспечивает опорный сигнал фазы прямоугольной формы для внутреннего использования и для установки нулей в демодуляторе. Осциллятор работает следующим образом. Синусоидальная волна для возбуждения преобразователя генерируется внутренним высокостабильным генератором моста Вина. Частота генератора устанавливается путем соединения контактов или добавления внешних резисторов. Затем синусоидальная волна проходит через усилитель мощности, чтобы обеспечить ток, достаточный для управления большинством преобразователей (50 мА), без необходимости использования внешних буферов.Усилитель мощности содержит схему защиты, поскольку в среде, где работает большинство преобразователей, вероятно короткое замыкание.

Синусоидальная волна выводится на преобразователь и используется внутри для генерации прямоугольной волны для привязки фазы к демодулятору. Выход осциллятора контролируется входом дистанционного считывания, который позволяет сделать поправку на падение напряжения на выводах преобразователя. Этот вход дискретизируется прямоугольной волной и сравнивается с опорным входом в регуляторе амплитуды, чтобы удерживать напряжение генератора на фиксированном уровне.Эталонный вход берется из эталонного выхода или логометрического выхода. обеспечение постоянного или пропорционального напряжению генератора напряжения питания.

Демодуляция и фильтрация сигнала LDVT

Описание демодулятора

Функция демодулятора состоит в том, чтобы принимать выходной сигнал переменного тока преобразователя и преобразовывать его в полезное постоянное напряжение, пропорциональное смещению, нагрузке и т. Д. Он также содержит схему, позволяющую регулировать усиление и ноль для работы с широким диапазоном преобразователей.

Демодулятор работает следующим образом. Выходной сигнал преобразователя подается в схему выбора грубого усиления, а затем усиливается. Этот усилитель может иметь коэффициент усиления 25 или 250, если используется опция x10, дополнительное усиление позволяет работать с датчиками с малой выходной мощностью, такими как тензодатчики.

Выполнение основного усиления с помощью сигнала переменного тока означает, что дрейф схемы уменьшается. Затем сигнал переменного тока высокого уровня передается на синхронный по фазе демодулятор, который использует прямоугольную волну от генератора для преобразования его в постоянное напряжение с некоторым наложенным переменным током.Затем он проходит через фильтр нижних частот, который удаляет большинство компонентов переменного тока, оставляя постоянное постоянное напряжение с небольшими колебаниями. Фильтр нижних частот включает в себя схему для установки грубого нуля, точного нуля и точного усиления, а также имеет соединения, позволяющие изменять характеристики фильтра.

Инновации и приложения для линейного преобразователя

Серия LD620: Преобразователи смещения с выходным напряжением постоянного тока высокой точности

Существуют многочисленные варианты установки.При желании узел катушки может быть прикреплен к измеряемой величине, в то время как толкатель прикреплен к фиксированной точке. Могут использоваться различные механические связи, так что движение сердечника может быть больше или меньше движения измеряемой величины.

Установка LVDT лучше для измерений на растяжение

При испытании материала на растяжение для определения его модуля упругости необходимо точно знать приложенную нагрузку и расстояние, на которое материал растягивается под этой нагрузкой. Традиционно эти параметры точно измеряются с помощью тензодатчика и датчика смещения LVDT соответственно.В последних случаях экстензометр с датчиком смещения подключается непосредственно к исследуемому образцу.

Этот метод имеет два явных недостатка:

1. экстензометр должен быть настроен для каждого образца и имеет тенденцию ограничивать доступ к нему.
2. : если образец испытывают до предела прочности, внезапный удар может повредить датчик.

Этих недостатков можно избежать, используя вместо этого буровую установку, имеющую измерительный преобразователь LVDT, перемещающийся в контакте с прецизионным механически обработанным «клиновым» механизмом передачи.

В этом альтернативном методе измерительный линейный преобразователь крепится к зажиму, фиксирующему образец, который перемещается при растяжении материала. Когда измерительная головка измерительного преобразователя перемещается вверх по наклонной поверхности клина, вертикальное движение преобразуется в пропорциональное горизонтальное движение сердечника преобразователя. Выходной сигнал линейного напряжения с преобразователя подается на цифровой вольтметр или подобное измерительное устройство, которое может быть откалибровано с учетом угла наклонной поверхности, чтобы обеспечить прямое и точное измерение удлинения материала под нагрузкой.

LVDT в приложении для испытания на растяжение
Поскольку прецизионный шариковый наконечник измерительного преобразователя свободно перемещается по гладкой обработанной поверхности наклона, а вал преобразователя вращается в прецизионных подшипниках, боковые нагрузки на вал преобразователя отсутствуют. Это дополнительно обеспечивается за счет использования очень малого угла наклона относительно направления движения, что также позволяет использовать датчик малого хода; горизонтальное перемещение сердечника преобразователя может быть в 10 раз меньше пройденного вертикального расстояния.

Измерительные преобразователи

имеют высокоточные линейные выходные сигналы даже для малых ходов, поэтому калиброванное измерение удлинения испытательного образца также очень точное. Для очень малых удлинений, например менее 1 мм при высоких прилагаемых нагрузках, экстензометр с датчиком линейных перемещений будет немного более точным. Однако измерительный преобразователь предпочтительнее для большинства приложений и особенно подходит при испытании материалов, таких как мягкие металлы, пластмассы и резина, которые значительно растягиваются без разрушения.

Поскольку измерительный преобразователь прикреплен к стороне зажима, он не препятствует доступу к исследуемому образцу. Также не требуется настраивать его каждый раз, когда новый образец помещается в испытательную машину. Если образец разбивается, наконечник датчика просто быстрее перемещается по склону без риска повреждения. Общий дизайн очень компактный.

Форма преобразователя с изменяющейся толщиной материала

Измерительные преобразователи обычно используются в промышленности для проверки того, что толщина изготовленного листового материала, такого как бумага или металл, остается в пределах указанных допусков.Если профиль измеряемой величины включает несколько различных толщин, например, сложная экструзия, может быть разработан измерительный стенд, включающий несколько линейных преобразователей для контроля различных размеров. В качестве дополнительного варианта этой идеи измерительные преобразователи типа LVDT были встроены в установку, предназначенную для измерения различной толщины натурального производственного материала — обработанных шкур животных. Эти измерения профиля затем используются для построения изображения всей кожи, чтобы можно было вырезать из нее участки одинаковой толщины и использовать их с максимальной пользой; самая тонкая кожа выбирается, возможно, для перчаток, несколько более толстые — для сумочек и так далее.

Датчик толщины кожи животного
Как и в случае листовых материалов одинаковой толщины, обшивка пропускается для измерения толщины в основном между двумя роликами, которые могут свободно вращаться вокруг своих осей. Нижний ролик закреплен в вертикальной плоскости, чтобы служить точкой отсчета для измерения. Другой может двигаться вертикально, чтобы следовать за верхней поверхностью материала, расстояние, на которое он удаляется от исходной точки (то есть толщина материала), измеряется измерительными преобразователями.Однако, чтобы приспособиться к разной толщине обшивки, верхний валик разделен в данном случае по ширине на шестнадцать отдельных секций.

Каждая секция подпружинен против общего поддерживая шпиндель, который установлен на фиксированном расстоянии выше точки привязки ролика. По мере того, как обшивка проходит между роликами, секции верхнего ролика удерживаются в положительном контакте с поверхностью материала с помощью пружин, но они могут перемещаться вверх и вниз при изменении толщины обшивки.Отдельный измерительный преобразователь LVDT предназначен для каждой секции ролика и отслеживает изменение толщины кожи в этой точке. Во избежание бокового напряжения чувствительной головки датчика, которое может быть вызвано прямым контактом с вращающимся роликом, вертикальное смещение механически передается датчику с помощью поворотной плоской планки, которая опирается своим свободным концом на верх ролика ( см. схему вида сбоку).

Выходной сигнал напряжения преобразователя калибруется на измерительном устройстве с учетом того факта, что расстояние, на которое перемещается головка преобразователя при таком расположении, немного отличается от фактического вертикального перемещения секции ролика.Высота шпинделя опоры верхнего ролика устанавливается в соответствии со средней толщиной обшивки. Количество и ширина роликовых секций были рассчитаны таким образом, чтобы соответствовать ожиданиям самого широкого пользователя. Когда кожа проходит между роликами, записанные измерения дают точное представление о различной толщине кожи вдоль линии каждого датчика.

«Контурная карта» всей кожи, показывающая области разной толщины, создается путем обработки выходных сигналов линейного датчика в компьютере и представления полученных данных.Цветовые коды или монохромные тона могут использоваться для прояснения областей разной толщины, так же как разная высота земли обозначена на карте нормалей.

Любой участок кожи необходимой толщины может быть легко идентифицирован для изготовления конкретных изделий, что облегчает позиционирование рисунков и оптимизирует использование материала с минимальными потерями.

Использование датчиков линейных перемещений для измерения давления и нагрузки

Измерение нагрузки с помощью датчика положения
При использовании в сочетании с подходящим чувствительным к усилию устройством, таким как металлическая диафрагма или контрольное кольцо, преобразователи линейных перемещений могут обеспечить высокоточные и стабильные, но относительно недорогие средства измерения давления и нагрузки.

Одним из применений мембранной системы является измерение давления внутри защитной оболочки, например давления в блоке цилиндров двигателя во время разработки и испытаний. Датчик смещения, установленный внутри контрольного кольца, может иметь преимущества перед тензодатчиком при измерении очень малых нагрузок или при наличии возможности ударной нагрузки. Обычно извилистая металлическая диафрагма встроена в стенку резервуара под давлением и отклоняется под давлением. Толщина и чувствительность диафрагмы рассчитаны на диапазон давления.

Линейный преобразователь LVDT устанавливается под прямым углом к ​​диафрагме, а его удлинительный стержень сердечника прикреплен к центру диска. Доступны линейные преобразователи для рабочих температур до 600 ° C.

В качестве альтернативы для высоких температур можно использовать датчик приближения, который не контактирует с диафрагмой. Любое изгибание диафрагмы отражается сигналом выходного напряжения датчиков. Простой микрочип можно использовать для калибровки, просто создав одно известное высокое давление и одно низкое давление, поскольку движение диска линейно с давлением в центре.В результате получается недорогой и простой датчик давления с высокой повторяемостью и надежностью.

Измерение давления датчиком положения
Включение датчика линейных перемещений в контрольное кольцо дает системе измерения нагрузки значительные преимущества по сравнению с тензодатчиком в некоторых приложениях. Работая с очень малым фактическим движением, тензодатчики имеют тенденцию быть жесткими и нечувствительными к очень небольшим нагрузкам. Контрольное кольцо, с другой стороны, представляет собой сравнительно гибкую балку, способную более свободно перемещаться под нагрузкой — только условно, потому что пройденное расстояние должно быть меньше, чем общий ход e.г., ± 0,5 мм от линейного преобразователя. Следовательно, эта система более чувствительна к легким нагрузкам.

Хотя контрольное кольцо изгибается, на самом деле оно более прочное и эластичное, чем тензодатчик. Жесткость тензодатчика имеет преимущество, когда нагрузка прикладывается и снимается быстро, поскольку жесткая система дает высокочастотный отклик. Однако, если тензодатчик ºº подвергается высокой ударной нагрузке, он может легко перегрузиться. С другой стороны, защитное кольцо может двигаться дальше, поглощая ударную нагрузку без вредного воздействия.

Использование датчика LVDT для подсчета

Высокоскоростной подсчет банкнот или аналогичных листов, требующих абсолютной числовой точности, может быть достигнут с помощью простого принципа конструкции, основанного на линейных преобразователях. Выходной сигнал напряжения от этих высокочувствительных датчиков LVDT можно использовать для: подсчета банкнот по отдельности на высокой скорости; обнаруживать, когда две или более банкноты считаются вместе; выявить проклеенный ремонт; указать, когда банкнота перевернулась; и предупредить оператора об отсутствии части примечания.

В типовой конструкции машины банкноты подаются между двумя вращающимися роликами, один из которых движется в неподвижных подшипниках, а другой может двигаться линейно, чтобы изменять зазор между ними. Последний ролик удерживается в положительном контакте с банкнотой при соответствующей загрузке. На каждом конце этого подвижного ролика установлен миниатюрный линейный преобразователь для измерения его линейного смещения при прохождении банкнот через зазор.

Следовательно, когда одна банкнота проходит между роликами, сердечники LVDT смещаются на величину, равную толщине банкноты, и это создает выходные сигналы напряжения соответствующей интенсивности для обоих преобразователей.Сигнал поддерживается только тогда, когда банкнота проходит между роликами, и, таким образом, вырабатывается импульсный выходной сигнал, который можно использовать для электронного счета. Две ноты, проходящие вместе, удваивают интенсивность устойчивого сигнала и т. Д.

Другие приложения

Силовые турбины: В турбинах для выработки электроэнергии на электростанциях по всему миру используются линейные переменные дифференциальные преобразователи в качестве датчиков положения с преобразователями сигналов для обеспечения необходимой рабочей мощности.Напряжения и частоты переменного тока, необходимые для индуктивных датчиков положения или датчиков положения LVDT, недоступны от источников питания.

Гидравлика: Датчики линейного положения служат в качестве датчиков заряда в гидроаккумуляторах, специальных внешних датчиках в суровых условиях с высокой устойчивостью к вибрации и ударам, и включают все длины хода в пределах возможностей наших датчиков. Если вам требуется больший ход, позвоните нашим профессиональным инженерным специалистам в OMEGA для получения информации по индивидуальному дизайну.

Автоматизация: приложения автоматизации LVDT используют герметичные датчики измерения размеров для работы за пределами ваших лабораторий НИОКР, производственных цехов и в суровых условиях окружающей среды при автоматизации производства, средах управления процессами, измерениях TIR и промышленных измерениях. .

Самолет: В большинстве аэрокосмических / авиационных приложений используются миниатюрные или субминиатюрные датчики положения. Они представляют собой управляемые тросом механизмы определения смещения.OMEGA может разрабатывать прецизионные продукты для применения в коммерческих самолетах, космосе, авиации и экологических системах для космической среды обитания. Изделия устанавливаются в фиксированном положении, трос смещения прикрепляется к движущемуся объекту, например, шасси или элерону. Кабель втягивается и выдвигается при движении. В зависимости от формирования сигнала и системы крепления электрический выход будет отображать различные скорости, углы, длину и движения.

Спутники: Рассмотрим применение в спутниковых технологиях и смежных областях, помимо производства спутников, датчики положения необходимы для космических аппаратов, грузовых самолетов, военных истребителей, дронов, экспериментальных самолетов, ракет, ядерных реакторов, имитаторов полета или высокоскоростные железные дороги.

.

Что такое линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (LVDT)? — Определение, конструкция, преимущества, недостатки и применение

Определение: Линейно-регулируемый индуктивный трансформатор преобразует линейное смещение в электрический сигнал . Он работает по принципу взаимной индукции , т. Е. Поток первичной обмотки наводится на вторичную обмотку. Выход трансформатора получается из-за разницы между вторичных напряжений , и поэтому он называется дифференциальным трансформатором.

Строительство LVDT

Базовая конструкция LVDT показана на рисунке ниже. P — это первичная обмотка LVDT, а S ₁ и S ₂ — вторичная обмотка трансформатора. Вторичная обмотка намотана на цилиндрический каркас. Вторичная обмотка имеет равное количество витков и одинаково размещена с обеих сторон первичной обмотки. Источник переменного тока подключен к первичной обмотке. Сердечник из мягкого железа помещен внутрь сердечника.Смещение, которое необходимо измерить, прикрепляется к рычагу стального сердечника. Для сердечника используется металл с высокой проницаемостью, так что гармоники меньше и нулевое напряжение легко получается. Смещение измеряется в продольном направлении, что снижает потери на вихревые токи.

Вся конструкция размещена внутри корпуса из нержавеющей стали, а их концы обеспечивают электростатическое и электромагнитное экранирование. Частота переменного тока, подаваемого на первичную обмотку, составляет от 50 до 20 кГц.

LVDT работает по принципу взаимной индукции. Ток подается на первичную обмотку, которая создает магнитное поле, и это поле индуцирует ток во вторичных обмотках.

Выходное напряжение вторичной обмотки S ₁ равно E _S1 , а выходное напряжение S ₂ равно E _S2 . Сигнал вторичного напряжения преобразуется в электрический сигнал путем последовательного соединения вторичной обмотки, как показано на рисунке ниже.

Выходное напряжение преобразователя определяется путем вычитания напряжения вторичных обмоток.

E ₀ = E _S1 — E _S2

Выходное напряжение вторичной обмотки равно, когда сердечник находится в нормальном положении. Когда мягкий сердечник перемещается влево, поток, связанный в S ₁ , больше по сравнению с S ₂ . Выходное напряжение обмотки S ₁ больше, чем у S ₂ , но оно находится в фазе с первичным напряжением.

Аналогично, когда сердечник из мягкого железа движется вправо, величина магнитной индукции S ₂ больше, чем S ₁ . Выходное напряжение -180ºC не совпадает по фазе с первичной обмоткой.

Изменение выходного напряжения прямо пропорционально смещению сердечника. Любое смещение увеличивает магнитный поток одной вторичной обмотки и, с другой стороны, уменьшает другую.

Кривая между выходным напряжением и смещением показана на рисунке выше.Кривая является линейной для небольшого смещения и за пределами этого диапазона начинает отклоняться от прямой линии.

Преимущества LVDT

Ниже приведены преимущества LVDT.

1. High Range — LVDT имеет очень широкий диапазон для измерения смещения. Диапазон их перемещения от 1,25 мм до 250 мм.
2. Высокий вход и высокая чувствительность — LVDT дает высокий выход, а также нет необходимости в усилении.Чувствительность преобразователя также очень высока.
3. Rugged — Может выдерживать сильные удары и колебания, особенно когда сердечник нагружается с помощью пружины.
4. Низкий гистерезис — LVDT имеет низкий гистерезис, благодаря чему их повторяемость превосходна.
5. Низкое энергопотребление — LVDT потребляет мощность менее 1 Вт.

Недостатки LVDT

Недостатки LVDT подробно показаны ниже.

1. Большой рабочий объем требуется для получения значительной дифференциальной мощности.
2. Трансформатор LVDT очень чувствителен к паразитному магнитному полю.
3. На работу преобразователя влияют вибрации.
4. Динамический отклик контролируется механически массой сердечника и электрически частотой тока.
5. На рабочие характеристики LVDT влияет температура.

Использование LVDT

Ниже приведены основные области применения LVDT.

1. Используется для измерения смещения в диапазоне от нескольких миллиметров до сантиметров. LVDT напрямую преобразует смещение в электрический сигнал.
2. Он также используется в качестве вторичного преобразователя. LVDT используется как устройство для измерения силы, веса и давления. Некоторые LVDT используются для измерения нагрузки и давления.

LVDT в основном используются в сервомеханизмах и других промышленных приложениях.

.Цифровая дифференциальная защита силового трансформатора

с использованием Matlab

1. Введение

Развитие энергосистемы отражается в разработке генераторов всех устройств энергосистемы, трансформаторов разных размеров, линий передачи и оборудования защиты. Современный силовой трансформатор — одно из важнейших устройств электроэнергетической системы, и его защита имеет решающее значение. По этой причине исследователи уделяют большое внимание защите силовых трансформаторов.Одним из наиболее эффективных методов защиты трансформатора является алгоритм дифференциальной защиты. Как правило, защита трансформатора сосредоточена на различении внутренних повреждений и пусковых токов намагничивания в силовых трансформаторах и преодолении проблем, связанных с трансформаторами тока [1-5].

2. Обычная схема дифференциальной защиты

Эта схема основана на том принципе, что входная мощность силового трансформатора при нормальных условиях равна выходной мощности.В нормальных условиях ток не течет в токовую катушку дифференциального реле. При возникновении неисправности в пределах защищаемой зоны баланс тока больше не будет существовать, и контакты реле замкнутся и выйдет сигнал отключения, чтобы вызвать срабатывание определенных автоматических выключателей (CB) для отключения неисправного оборудования / детали. Дифференциальное реле сравнивает токи первичной и вторичной стороны силового трансформатора. Трансформаторы тока (ТТ) используются для уменьшения количества токов таким образом, чтобы их вторичные токи были равны.На рис. 1 показано дифференциальное реле в простейшей форме. Полярность трансформаторов тока такова, чтобы ток циркулировал нормально, не проходя через реле, при нормальных условиях нагрузки и внешних неисправностях.

Номинальные параметры трансформаторов тока выбираются тщательно, чтобы они соответствовали номинальным токам силового трансформатора, к которому они подключены, чтобы токи вторичной стороны трансформаторов тока были одинаковыми. Однако проблема в том, что доступные на рынке коэффициенты трансформаторов тока имеют стандартные рейтинги.Они не доступны в точности с желаемыми рейтингами. Следовательно, номинальные значения первичной обмотки трансформаторов тока обычно ограничиваются номиналами доступных трансформаторов тока стандартного отношения. Обычно первичная сторона трансформатора тока имеет только один виток (1), а вторичная сторона имеет много витков в зависимости от коэффициента трансформации (N) трансформатора тока, который выбирается в соответствии с номинальными характеристиками силового трансформатора. Поскольку коэффициент трансформации трансформаторов — это отношение количества витков на первичной стороне к количеству витков на вторичной стороне.Следовательно, коэффициент трансформации первичного трансформатора тока равен 1N1, а коэффициент трансформации вторичного трансформатора тока равен 1N2. Вторичный ток ТТ, расположенного в первичной обмотке силового трансформатора, равен [2], [6-7];

I1 = IpN1E1

(1)

Где:

Ip: ток первичной стороны силового трансформатора, I1: ток вторичной стороны CT1.N1: количество витков на вторичной стороне CT1

Таким же образом ТТ, расположенный на вторичной стороне силового трансформатора, вторичный ток ТТ равен:

I2 = IsN2E2

(2)

Где:

Is: ток вторичной стороны силового трансформатора, I2: ток вторичной стороны CT2.N2: количество витков вторичной обмотки CT2

Рисунок 1.

Дифференциальная защита для однофазного двухобмоточного трансформатора

Поскольку дифференциальный ток равен: Id = I1-I2, то из уравнения (1) и уравнения (2) Дифференциальный ток, протекающий в рабочей катушке реле, ток Id может быть рассчитан как:

Id = IpN1-IsN2E3

(3)

Если в защищенной зоне силового трансформатора не происходит внутреннего повреждения, токи I1 и I2 принимаются равными по величине и противоположными по направлению.Это означает, что дифференциальный ток Id = 0, как показано на рисунке 2. Первичный и вторичный токи силового трансформатора связаны друг с другом уравнением (4);

IpIs = NsNpE4

(4)

Где:

NpandNs: витки первичной и вторичной стороны силового трансформатора, соответственно, NpNs: коэффициент трансформации силового трансформатора.

Рис. 2.

Выходные токи ТТ равны по величине и противоположны по направлению.

При возникновении неисправности в защищенной зоне силового трансформатора токи I1 и I2 больше не равны по величине и противоположны по направлению.Это означает, что дифференциальный ток Id = Id∟ϖ имеет важное значение, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3.

Выходные токи ТТ не равны по величине и не противоположны по направлению

Величина тока Id = Id∟ ϖ приводит в действие рабочую катушку реле, чтобы отправить сигнал отключения на выключатели для отключения трансформатора.

Из уравнения (4) вторичный ток относительно первичного тока силового трансформатора равен [2], [6-7];

Is = Ip × NpNsE5

(5)

Следовательно, манипулируя уравнениями (3) и (5),

Id = IpN1-Ip × NpNsN2.

Id = IpN11-NpNsN2N1E7

(6)

ϙ = 1-NpNsN2N1

.

Из уравнения (6) очевидно, что член ϙ должен быть равен нулю, чтобы Id = 0

(1-NpNsN2N1) = 0

N2N1 = NpNsE10

(7)

Уравнение (7) дает условие для безопасности дифференциального реле, это означает, что отношение витков вторичной стороны трансформаторов тока должно быть равно отношению витков силового трансформатора.

В силовых трансформаторах входная мощность равна выходной мощности.Однако напряжение и ток на первичной и вторичной сторонах различаются в зависимости от того, повышается или понижается трансформатор. Например, если трансформатор повышается, это означает; входное напряжение силового трансформатора низкое, а ток высокий, при этом напряжение на вторичной обмотке высокое, а ток низкий. Это действие уравняет входную и выходную мощность. Из-за этой природы трансформаторы тока на первичной и вторичной сторонах силового трансформатора не имеют одинакового передаточного числа.Однако они тщательно подбираются с точки зрения передаточного числа и характеристик намагничивания, чтобы иметь одинаковый выходной ток в нормальных условиях эксплуатации. Если идентичные трансформаторы тока недоступны, выбираются более близкие, а затем несоответствие между ними компенсируется за счет использования промежуточных трансформаторов тока. Промежуточные трансформаторы тока могут исправить рассогласование в трансформаторах тока; однако они добавляют свою нагрузку к выходу основных трансформаторов тока.

Тот же аргумент применяется к трехфазным (3ϳ) трансформаторам, за исключением того, что некоторые дополнительные проблемы могут возникнуть в многофазных трансформаторах.На рисунке 4 представлена ​​принципиальная схема 3-х дифференциальной защиты.

В некоторых случаях при подключении трехфазного трансформатора, как показано на рисунке 5, происходит 30-фазный сдвиг между первичным и вторичным токами. Этот фазовый сдвиг происходит в трансформаторах, подключенных по схеме Y или Y из-за преобразования тока из Y или Y, как показано на рисунке 4. Этот фазовый сдвиг можно легко скорректировать, подключив вторичные цепи трансформаторов тока в обратном направлении. способ соединения фаз силового трансформатора.Т.е. если обмотки трансформатора подключены в Y-, вторичные обмотки ТТ должны быть подключены в -Y и наоборот [20]. Как показано на рисунке 4, соотношение между линейным напряжением (VLL) и фазным напряжением (Vph) может объяснить фазовый сдвиг между подключением -Y трансформатора. Следующее уравнение показывает соотношение между линейным напряжением (VLL) и фазным напряжением (Vph) [2], [3], [6], [7]:

Vab2 = VancosVab2 = Van32Vab = 3VanE11

(8)

Рисунок 4.

Подключение дифференциальной защиты трехфазного трансформатора -Y

Рисунок 5.

Взаимосвязь между линейным напряжением и фазным напряжением между фазами и фазовым сдвигом между ними, который отражает фазовый сдвиг в трансформаторах, подключенных по схеме Y или Y

3. Трудности дифференциальной защиты

Как правило, три основные проблемы затрудняют работу обычная дифференциальная защита. Они побуждают дифференциальное реле выдавать ложный сигнал отключения без возникновения каких-либо неисправностей. Эти сложности необходимо преодолеть, чтобы дифференциальное реле работало должным образом [2], [3]:

• Пусковой ток намагничивания при первоначальном включении,

• ТТ Несовпадение и насыщение,

• Из-за изменения коэффициента трансформации к переключателю ответвлений.

3.1. Пусковой ток намагничивания

Это явление, переходный бросок намагничивания или ток возбуждения, возникает в первичной обмотке трансформатора всякий раз, когда трансформатор включен (запитан) и мгновенное значение напряжения не равно 900. В это время первый пик магнитной волны выше, чем пик магнитной индукции в установившемся режиме. Этот ток проявляется как внутренняя неисправность и воспринимается дифференциальным реле как дифференциальный ток.Значение первого пика тока намагничивания может в несколько раз превышать пиковое значение тока полной нагрузки. На величину и длительность пускового тока намагничивания влияют многие факторы, некоторые из них: [2], [6], [7];

• Мгновенное значение формы волны напряжения в момент включения CB,

• Значение остаточного (остаточного) потока намагничивания,

• Знак остаточного потока намагничивания,

• тип железных пластин, используемых в сердечнике трансформатора,

• Плотность потока насыщения сердечника трансформатора,

• Полный импеданс цепи питания,

• Физический размер трансформатора,

• Максимальная магнитопроводящая способность пластин стального сердечника,

• Уровень входного напряжения питания,

Влияние пускового тока на дифференциальное реле приводит к ложному срабатыванию трансформатора без каких-либо существующих неисправностей.Исходя из принципа работы дифференциального реле, реле сравнивает токи, поступающие с обеих сторон силового трансформатора, как описано выше. Однако пусковой ток протекает только в первичной обмотке силового трансформатора. Таким образом, дифференциальный ток будет иметь большое значение из-за наличия тока только на одной стороне. Следовательно, реле должно быть спроектировано так, чтобы распознавать, что этот ток является нормальным явлением, и не срабатывать из-за этого тока.

3.2. Ложное отключение из-за характеристик ТТ

Характеристики дифференциальных реле зависят от точности ТТ в воспроизведении их первичных токов во вторичной обмотке. Во многих случаях номинальные значения первичной обмотки трансформаторов тока, расположенных на сторонах высокого и низкого напряжения силового трансформатора, не совсем соответствуют номинальным токам силового трансформатора. Из-за этого несоответствия имеет место рассогласование ТТ, которое, в свою очередь, создает небольшой ложный дифференциальный ток, зависящий от величины этого рассогласования.Иногда этой величины дифференциального тока достаточно для срабатывания дифференциального реле. Следовательно, необходимо выполнить коррекцию коэффициента трансформации трансформаторов тока, чтобы преодолеть это рассогласование трансформаторов тока, используя промежуточные трансформаторы тока с несколькими отводами [8].

Еще одна проблема, с которой может столкнуться безупречная работа трансформаторов тока, — это проблема насыщения. Когда насыщение происходит с одним или всеми ТТ на разных уровнях, в дифференциальном реле появляется ложный дифференциальный ток. Этот дифференциальный ток может вызвать неправильную работу дифференциального реле.Постоянная составляющая тока первичной стороны может привести к наихудшему случаю насыщения ТТ. В котором вторичный ток содержит смещение постоянного тока и дополнительные гармоники [9], [10].

3.3. Ложное отключение из-за устройства РПН

Устройство РПН

установлено на силовом трансформаторе для автоматического регулирования выходного напряжения трансформатора. Это устройство необходимо везде, где есть сильные колебания напряжения в энергосистеме. Коэффициент трансформации трансформаторов тока можно согласовать только с одной точкой диапазона переключения ответвлений.Следовательно, при смене устройства РПН в рабочей катушке дифференциального реле протекает ток небаланса. Это действие вызывает рассогласование CT. Этот ток будет рассматриваться как ток повреждения, который заставляет реле выдавать сигнал отключения [11], [12].

4. Цифровая дифференциальная защита

Многие цифровые алгоритмы использовались до сих пор после изобретения компьютера. Эти алгоритмы выполняют одну и ту же работу с разной точностью и скоростью. Приемлемая скорость согласно стандарту IEEE для защиты трансформатора составляет 100 мсек.Все современные алгоритмы быстрее, чем этот стандарт IEEE. В настоящее время некоторые алгоритмы выполняют свою функцию менее чем за 10 мсек. В этой главе представлен быстрый алгоритм. Его скорость находится в диапазоне от 1 до 15 мсек. Этот алгоритм основан на быстром алгоритме Фурье (БПФ). Этот алгоритм не нов, однако были внесены значительные изменения, чтобы сделать его намного быстрее.

Предлагаемое цифровое дифференциальное реле разработано с использованием метода моделирования в среде Matlab Simulink.Конструкция реализована для защиты силового трансформатора от внутренних повреждений и предотвращения прерывания из-за пусковых токов.

Этот алгоритм построен на принципе ограничения гармонических токов, при котором пусковой ток намагничивания характеризуется большим содержанием гармонических составляющих, которые незаметно присутствуют в токах короткого замыкания. Из-за состояния насыщения трансформаторного железа форма волны пускового тока сильно искажена. Амплитуда гармоник по сравнению с основной гармоникой составляет от 30% до 60%, а третьей гармоники — от 10% до 30%.Остальные гармоники становятся все меньше [3] [6], [13]. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) используется для реализации этого подхода. В общем, любой периодический сигнал f (t) может быть разложен на его синусоидальные и косинусные компоненты следующим образом:

ft = a02 + ∐k = 1∝Ckcos⁢coskwt + Sksin⁢sinkwt

Где: a0 — постоянная составляющая f (t) и Ck, Skare коэффициенты косинуса и синуса частот, представленных inf (t), соответственно. Дискретные формы коэффициентов Ck, Skare выражаются следующими уравнениями:

Ck = 2N∐n = 1N-1xncos⁢cos2kwtN

Sk = 2N∐n = 1N-1xnsin⁢sin2kwtN

Гармонические коэффициенты Фурье могут быть выражены как [13]:

Fk = Sk2 + Ck2

Где: Fk — коэффициент kthharmonic для k = 1, 2 ,…, N и x (n) — это сигнал f (t) в дискретной форме. БПФ дает точно такие же результаты, что и ДПФ; однако БПФ намного быстрее, чем ДПФ, где скорость вычислений является основным фактором в этом процессе [13-16].

На рис. 6 показана блок-схема разработанного логического алгоритма на основе цифрового преобразования Фурье. В этом алгоритме выходные токи трансформаторов тока подвергаются двум процессам анализа: процессу сравнения амплитуд и процессу расчета содержания гармоник. Сравнение амплитуды среднеквадратичных значений выходных токов трансформатора тока (| Id1 – Id2 |) находится в левой части блок-схемы, а расчет гармоник — в правой части блок-схемы.

Программное обеспечение реализуется в соответствии со следующими шагами [15-17]:

1. Чтение данных из ТП.

2. Расчет данных, который приводится ниже;

Для расчета амплитуды, если абсолютная разница (| Id1 — Id2 |) между выходными токами ТТ больше нуля, срабатывает логика (1), которая указывает на случай броска тока или внутренней неисправности. В противном случае имеет место логика (0), которая указывает на обнаружение внешней неисправности.

Рис. 6.

Блок-схема предлагаемой схемы цифрового дифференциального реле

Тем временем выполняется расчет гармоник. Если процентное значение амплитуды второй гармоники находится в диапазоне (от 0,3 до 0,6) от амплитуды основной составляющей, то возникает логика (0), что означает распознавание пускового тока. В противном случае имеет место логика (1), которая указывает на обнаружение внутренней или внешней неисправности.

1. Принятие окончательного решения:

Если логические случаи, полученные из обоих вариантов (a и b) на втором этапе, оба (1), это указывает на обнаружение внутренней ошибки.Затем выдается сигнал отключения, чтобы остановить моделирование.

Для других логических опций (0,1) означает внешнюю неисправность, (1,0) означает пусковой ток или (0,0) указывает возникновение пускового тока или внешнего повреждения, и моделирование продолжается. вернитесь к шагу два, чтобы снова начать вычисление для следующего образца.

5. Реализация цифровой дифференциальной защиты с использованием Matlab

Эта реализация выполняется с использованием среды Matlab / Simulink. На рисунке 7 показана смоделированная энергосистема, построенная в среде Matlab / Simulink.В этой системе используется трехфазный трансформатор Y / силовой трансформатор, 250 МВА, 60 Гц, (735/315) кВ. Содержание каждого разработанного блока проиллюстрировано на отдельных фиг. С 8 по 12.

Некоторые коэффициенты скрыты, чтобы читатель мог их найти. Эти коэффициенты могут изменить поведение дизайна.

Рисунок 7.

Matlab / Simulink Модель предлагаемой системы

Рисунок 8.

Содержимое блока дифференциального реле

Рисунок 9.

Содержимое блока компаратора

Рисунок 10.

Содержимое блока компаратора амплитуд

Рисунок 11.

Содержимое блока компаратора гармоник

Рис. 12.

Содержимое блока отношения

6. Результаты и обсуждения

Результаты будут приведены для различных случаев:

Случай 1: пусковой ток намагничивания,

Случай 2: бросок тока намагничивания с добавлением нагрузки,

Случай 3: Трехфазное замыкание на землю при нагруженном трансформаторе,

Случай 4: Внешнее замыкание фазы A на землю на нагруженном трансформаторе,

Проиллюстрированы другие случаи различных типов повреждений и пусковых токов, таких как одиночное замыкание на землю, межфазное замыкание, межфазное замыкание на землю и трехфазное замыкание в обоих случаях в нагруженном и ненагруженном трансформаторе.

Случай 1: Пусковой ток намагничивания:

В этом разделе моделирования, когда первичная сторона CB1 замкнута на 0,1 с, только пусковой ток течет в первичной цепи силового трансформатора, и никакой ток не проходит через силовой трансформатор в вторичной стороны, как показано на рис. 13. Гармонический компаратор показывает на рис. 14, что значение второй гармоники выше 0,3 основной составляющей.

Рис. 13.

Осциллограммы пусковых токов трех фаз на первичной стороне силового трансформатора.

Рисунок 14.

Результат компаратора гармоник: 2-я гармоника и основная составляющая для 1-го случая.

Рисунок 15.

Результаты компаратора амплитуд для 1-го случая.

В этом случае часть вычисления гармоник отключила логику (0), но компаратор амплитуд показал на рис.15, что дифференциальный ток равен пусковому току, где обе кривые перекрывают друг друга, затем логика отключения компаратора амплитуд ( 1). Для этой логической координации (0,1) сигнал отключения не выдается.

Случай 2: Бросок намагничивания с добавлением нагрузки:

Этот тест проводится после подачи питания на силовой трансформатор путем включения CB1 через 0,1 с и CB2 через 0,3 с от начала моделирования, чтобы увидеть влияние нагрузки. Экскурсия по точности разработанного подхода. Следовательно, резистивная нагрузка 500 Вт добавляется к системе через 0,3 секунды. Следовательно, пусковой ток исчез, и ток нагрузки начал течь в первичной и вторичной цепях трансформатора в соответствии с коэффициентом трансформации силового трансформатора, как показано на рис.16. Однако амплитуда выходных токов первичного и вторичного трансформаторов тока равны из-за правильного выбора коэффициента трансформации первичного и вторичного трансформаторов тока, что, очевидно, можно заметить на рис. 18. Где до момента времени 0,3 с дифференциальный ток был равен пусковому току, но после включения нагрузки дифференциальный ток упал до нуля, и первичная и вторичная токи стали равными.

Рисунок 16.

Нормальный ток нагрузки начинает течь с 0.3сек.

Как показано на рис. 17, после переключения CB2 значение второй гармоники становится ниже 0,3 основной составляющей. Соответственно, часть вычисления гармоник отключила логику (1), но компаратор амплитуды отключил логику (0). Следовательно, для этой логической координации (1,0) сигнал отключения не выдается. На рисунке 18 показаны результаты работы компаратора амплитуд.

Рисунок 17.

гармоника и основная составляющая для 2-го случая.

Рисунок 18.

Результаты компаратора амплитуд для 2-го случая.

Случай 3: Трехфазное замыкание на землю на нагруженном трансформаторе:

В этом разделе создается трехфазное замыкание на землю для проверки надежности алгоритма. После переключения CB1 в течение 0,1 с на вторичной обмотке силового трансформатора на 0,5 с создается внутреннее повреждение, связанное с заземлением трех фаз A, B и C вторичной стороны силового трансформатора. В этом случае происходит значительное увеличение первичного тока из-за возникновения КЗ внутри защищаемой зоны при 0.5 секунд, как показано на рис. 19. Реле обнаружило это увеличение с помощью компараторов гармоник и амплитуды и распознало его как внутреннюю неисправность. Следовательно, трансформатор изолирован от сети. Также из рисунка 20 очевидно, что реле выдало сигнал отключения через 0,57 мс после возникновения неисправности, что можно рассматривать как очень хорошую скорость для изоляции трансформатора.

Как показано на рис. 21, после возникновения неисправности в момент времени 0,5 с, значение 2-й гармоники увеличивалось в течение переходного времени, а затем быстро уменьшалось до значения ниже 0.3 основного компонента после достижения устойчивого состояния. Соответственно, часть расчета гармоник освободила логику (1). Также из Рис. 22, который показывает результат компаратора амплитуд, значение дифференциального тока больше не равно нулю. Соответственно, компаратор амплитуды отключил логику (1). Следовательно, для этой логической координации (1,1) выдается сигнал отключения, чтобы изолировать силовой трансформатор от сети.

Рисунок 19.

Увеличение токов фаз A, B и C из-за возникновения короткого замыкания на 0.5 секунд для нагруженного трансформатора

Рисунок 20.

Увеличенный сигнал отключения, время отключения составляет около 0,57 мс

Рисунок 21.

гармоника и основная составляющая для случая трехфазного замыкания на землю на нагруженном трансформаторе.

Рисунок 22.

Результат компаратора амплитуды для 3-го случая.

Случай 4: Внешнее короткое замыкание фазы A на землю на нагруженном трансформаторе.

Этот случай аналогичен случаю 2, когда возникновение тока короткого замыкания за пределами защищаемой зоны привело к увеличению тока замыкания на обеих сторонах силового трансформатора.Поэтому реле расценило этот случай как резкое увеличение токов нагрузки. На рис. 23 показано увеличение тока в фазе А и отсутствие сигнала отключения.

Рисунок 23.

Увеличение тока в фазе А из-за возникновения неисправности на 0,5 с для нагруженного трансформатора

Рисунок 24.

гармоника и фундаментальная составляющая для Case для 4-го случая.

Как показано на рис. 24, после возникновения внешней неисправности через 0,5 секунды значение второй гармоники уменьшилось до значения меньше 0.3 основной составляющей. Соответственно, часть вычисления гармоник отключила логику (1), но компаратор амплитуды отключил логику (0), потому что дифференциальный ток почти равен нулю, как это видно на рис. 25. Следовательно, для этой логической координации (1,0) отключение отсутствует. сигнал выпущен.

Рисунок 25.

Результат компаратора амплитуды для 4-го случая.

Аналогичным образом реле проверяется на все другие случаи различных типов неисправностей, таких как одиночная линия на землю, линия на линию, линия на фазу и на землю и трехфазные КЗ в обоих случаях при нагруженном и ненагруженном трансформаторе.Во всех случаях реле в каждом случае успешно выдавало сигнал отключения. Результаты некоторых из этих различных типов разломов показаны на рисунках (26-30).

Рис. 26.

Увеличение токов фаз A и B из-за возникновения короткого замыкания на 0,5 с для ненагруженного трансформатора

Рисунок 27.

Увеличение токов в фазах A, B и C из-за возникновения короткое замыкание на 0,5 с, для ненагруженного трансформатора

Рисунок 28.

Повышение тока фазы A из-за возникновения замыкания на 0.5 секунд для нагруженного трансформатора

Рисунок 29.

Увеличение токов фаз B и C из-за возникновения короткого замыкания на 0,5 секунды для нагруженного трансформатора

Рисунок 30.

Увеличение тока фазы A из-за возникновения сбой через 0,5 с, для ненагруженного трансформатора

7. Сводка всех проверенных случаев

9036

Таблица 1.

Краткое описание характеристик спроектированного дифференциального реле при различных типах помех, которые могут возникнуть в силовом трансформаторе

8. Выводы

В этой главе рассказывается о реализации и моделировании малой энергосистемы с дифференциальной защитой для силовой трансформатор. Реализация показана поэтапно. Это моделирование протестировано для различных случаев, и во всех случаях оно дало удовлетворительные результаты. Все тесты дали удовлетворительные результаты.При внедрении этой системы возникают некоторые трудности, такие как отсутствие некоторого набора инструментов в Sim-power-system. Например, в ящике с инструментами нет трансформатора тока. В этом случае есть два варианта решения этой проблемы. Первый — использовать обычную однофазную сеть и внести некоторые изменения в ее спецификации, чтобы они соответствовали характеристикам трансформатора тока. Второй — использовать измерение тока, но он не моделирует проблемы трансформаторов тока.

.