Идентификация установившегося тока короткого замыкания с помощью магнитоуправляемых контактов
На правах рукописи
ЖАНТЛЕСОВА АСЕМГУЛЬ БЕЙСЕМБАЕВНА ИДЕНТИФИКАЦИЯ УСТАНОВИВШЕГОСЯ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫХ КОНТАКТОВ Специальность 05.14.02 – «Электрические станции и электроэнергетические системы»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Томск – 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» и Республиканском государственном казенном предприятии «Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова» (Республика Казахстан)
Научный консультант: Клецель Марк Яковлевич доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Мусин Агзам Хамитович доктор технических наук, профессор, ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», профессор кафедры «Электрификация производства и быта» Харлов Николай Николаевич кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет, ведущий инженер регионального учебно-научно технологического центра ресурсосбережения
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»
Защита состоится «15» мая 2013г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.269.10 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского Томского политехнического университета по адресу:
634034, г. Томск, ул. Белинского, 55.
Автореферат разослан «5» апреля 2013 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.269.10, д.т.н.,с.н.с. Кабышев А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В релейной защите (РЗ) идентификация установившегося тока короткого замыкания осуществляется с использованием трансформаторов тока (ТА), обладающих следующими недостатками:
металлоемкостью (масса ТА, например, в сетях 35кВ достигает 55кг), большими погрешностями в переходных режимах и появлением высокого напряжения во вторичных цепях при их разрыве. В связи с этим уже несколько десятилетий назад были начаты работы в направлении использования магниточувствительных элементов при построении РЗ без ТА (на катушках индуктивности, элементах Холла, магнитодиодах, магнитотранзисторах, катушках Роговского и магнитоуправляемых контактах). Как отмечалось на последних Международных конференциях по большим энергетическим системам (CIGRE), из-за отмеченных выше недостатков и незавершенности этих работ они актуальны и в настоящее время.
Проблема построения РЗ без ТА стала еще более актуальной в связи с широким внедрением микропроцессорных защит. Дело в том, что надежность их срабатывания и несрабатывания в ряде случаев оказалась недостаточной, а чтобы добиться максимального эффекта в ее повышении необходимо, как известно*, использовать мажорирование. При этом все три дублирующие друг друга защиты и преобразователи тока должны иметь разные принципы действия.
Для построения одной из возможных резервных систем РЗ, предназначенных для одновременного дублирования традиционных защит и ТА, в данной работе выбраны магнитоуправляемые контакты - герконы, поскольку они уже нашли широкое распространение в технике, имеют перспективы использования и некоторые важные для РЗ преимущества перед другими магниточувствительными элементами, например выполняют функции аналого дискретного преобразователя или преобразователя тока и измерительного органа защиты одновременно. Значительный вклад в разработку защит на магнитоуправляемых контактах (МК) внесли В.В. Гуревич, М.А. Жуламанов, М.Я. Клецель, П.Н. Майшев, В.В. Мусин, М.Т. Токомбаев и др. Дальнейшее построение защит на МК сдерживается из-за недостаточной разработки способов идентификации тока короткого замыкания. В диссертации сделана попытка восполнить этот пробел.
Объектом исследования являются идентификаторы тока.
Предметом исследования является идентификация установившегося тока короткого замыкания (КЗ) с помощью магнитоуправляемых контактов без использования трансформаторов тока.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами. Работа выполнялась в соответствии с научными направлениями исследовательского комитета В5 «Релейная защита и автоматика» СIGRE.
Работа воплощает следующие идеи: разработка идентификаторов установившегося тока КЗ с помощью МК, закрепленных вблизи шин электроустановки, путем измерения времени tСР срабатывания одного МК или времени t 2 или t 3 между срабатываниями или возвратами двух МК, или * Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей. М.: Энергоатомиздат, времени t1 замкнутого состояния нескольких МК после срабатывания и путем построения фильтров токов обратной и нулевой последовательностей на МК.
Цель работы заключается в разработке способов идентификации установившегося тока КЗ с помощью магнитоуправляемых контактов для построения релейной защиты, не использующей трансформаторы тока.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
- Разработка способов идентификации установившегося тока КЗ с помощью герконов, установленных вблизи шин электроустановки (ЭУ), путем расчета его амплитуды на основе измерения временных параметров МК, характеризующих его срабатывание и отпускание;
H -Экспериментальное определение зависимостей кратности K=f(t)= I тК / I m H тока от tСР, t 2, t 3, t1 при K=1..80, где I тК и I m - амплитуды токов в катушке стандартного соленоида и номинального тока ЭУ. Построение синусоиды тока в фазах ЭУ на основе использования полученных зависимостей K=f(t) и соответствующего времени, измеренного при КЗ теми же МК, закрепленными вблизи токопроводов электроустановки.
- Идентификация путем создания фильтров токов симметричных составляющих на МК и катушке индуктивности для электроустановок с горизонтальным и треугольным расположением фаз;
- Разработка конструкций для крепления МК и катушки индуктивности, а также регулирования уставок и настройки РЗ.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались фундаментальные положения теоретических основ электротехники, схемотехники, релейной защиты и натурный эксперимент. Проводилось математическое и физическое моделирование. Вычисления выполнены в среде Mathcad 13.0.
Научная новизна:
- Предложены способы идентификации установившегося тока КЗ, при которых измеряется время tСР от момента трогания до замыкания контактов МК или время t 2 ( t 3 ) между замыканиями (размыканиями) контактов двух МК (патент №24922 Республики Казахстан), или времени t1 замкнутого состояния контактов нескольких МК (патент №2377579 Российской Федерации), установленных на безопасном расстоянии от токопроводов фаз электроустановки, и с помощью микропроцессора, подключенного к ним, по этому времени определяется амплитуда I т тока КЗ, а по I т - его мгновенные значения.
- Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что:
а) для расчета амплитуды I m по времени tСР и t 2 ( t 3 ) можно пользоваться элементарными представлениями о синусоиде, если кратность K15 (для tСР) и K40 (для t 2 и t 3 ) при отношении токов срабатывания (возврата) двух МК, превосходящем 1,4;
при больших K нужно использовать зависимости K=f(t), найденные в лабораторных условиях;
по подобным зависимостям следует определить I m (при K от 1 до 80) по времени t1.
б) во всех случаях время должно измеряться с точностью не меньшей, чем 1мкс.
- Предложено представлять I2 и I0 в виде аналитических выражений, отличающихся от известных.
- Разработаны идентификаторы тока на МК и катушках индуктивности (патенты № 2374736 и №2383095 Российской Федерации, № 18935 Республики Казахстан), не использующие ТА и выполняющие функции фильтров токов I обратной и I0 нулевой последовательностей, и методы расчета параметров фильтров и координат установки МК с управляющей обмоткой и без нее при различных расположениях токопроводов фаз электроустановки.
Практическая ценность работы:
- Предложенные способы идентификации установившегося тока КЗ с помощью МК позволяют при кратностях K= I тК / I m 80 воспроизвести его при H построении программных защит за 10…15мс с погрешностями меньшими 10%, не используя ТА, экономя медь и сталь, если измерять время с точностью не меньшей, чем 1мкс. Это открывает новые возможности в построении РЗ.
- Разработанные методики получения зависимостей K=f(t) позволяют реализовать эти способы на основе простых экспериментов, учитывая погрешности определения амплитуд упомянутых токов в высоковольтных установках.
- Предложенные аналитические выражения для токов I2 обратной и I нулевой последовательностей являются основой методики построения простых идентификаторов тока (патенты №2374736 и №2383095 Российской Федерации) в виде ФТОП и ФТНП, которые будут использованы для создания устройств, дублирующих одновременно и традиционную РЗ и трансформаторы тока.
- Предложенный метод расчета координат установки МК позволил определить, что для выявления токов I2 и I0 при горизонтальном расположении фаз МК с управляющей обмоткой и катушку индуктивности необходимо устанавливать симметрично по отношению к фазе В, а при расположении фаз по вершинам треугольника – внутри него. В последнем случае для выявления I можно использовать МК без обмотки, но устанавливать его надо на окружности, описанной вокруг этого треугольника.
- Предложенные конструкции (Патенты №19636, №19882 Республики Казахстан) позволяют закреплять МК в заданной точке вблизи шин электроустановки и дают возможность осуществлять его перемещение в вертикальной и горизонтальной плоскостях относительно проводника с током, и изменять угол между горизонтальной плоскостью и продольной осью МК.
К защите представляются:
- способы идентификации установившегося тока КЗ по времени срабатывания одного МК или времени между срабатываниями или возвратом двух МК, установленных под шиной электроустановки;
- методики реализации этого способа и учета погрешностей при расчете амплитуды упомянутого тока;
- методика построения и определения параметров простых идентификаторов тока в виде ФТОП и ФТНП на МК с обмоткой управления и катушкой индуктивности;
- методы расчета координат установки МК при любом расположении фаз;
- конструкции для регулирования параметров и крепления МК в заданной точке.
Реализация результатов работы. Результаты работы используются в ФГБОУ ВПО Национальный Исследовательский Томский Политехнический Университет в учебном процессе на кафедре «Электрические сети и электротехника»;
в Павлодарском государственном университете им. С.
Торайгырова в учебном процессе на кафедре «Автоматизация и управление» и в ПОФ АО НЦ «КурылысКолсантинг» (г. Павлодар, Казахстан) и ООО «ТК «Система» (г. Томск, Россия). Годовой экономический эффект от внедрения составляет около 30000 рублей. Срок окупаемости - менее 3 лет.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: XII международной конференции "Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты" (Украина, г.Алушта, 2008г.), международной научной конференции молодых учёных, студентов и школьников «VIII Сатпаевские чтения» (Казахстан, г.Павлодар, 2008г.), международной научно-технической конференции «IV чтения Ш.
Шокина» (Казахстан, г.Павлодар, 2010г.), международной молодёжной конференции «Энергетическое обследование как первый этап реализации концепции энергосбережения» (Россия, г. Томск, 2012г.), заседаниях научных семинаров кафедр: «Электроэнергетические системы» Томского Политехнического университета (Россия, г. Томск, 2012г.), «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета им. С.Торайгырова (Казахстан, г. Павлодар, 2013г.), «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского Государственного Технического университета (Россия, г. Омск, 2013г.) Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе четыре статьи из перечня ВАК, два патента Российской Федерации, четыре патента Республики Казахстан и пять статей в научных изданиях. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет около 50%.
Личный вклад. Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, постановка задач и методология их решения разработаны и получены автором самостоятельно.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, изложенных на 142 страниц машинописного текста.
Содержит 58 рисунков, три таблицы, список использованных источников из наименований и девять приложений на 25 станицах, относящихся к практической реализации и внедрению результатов работы.
Автор выражает благодарность за помощь в проведении опытов к.т.н.
П.Н. Майшеву.
Основное содержание работы
Во введении обоснованы актуальность идентификации установившегося тока короткого замыкания с помощью МК, а также цель работы. Представлена научная новизна и практическая ценность, отражены методы исследований и положения, выносимые на защиту. Указаны публикации, личный вклад, структура и объем работы.
В первой главе представлен анализ литературы и результаты патентной проработки, которые показали, что в настоящее время только начаты разработки в направлении создания способов идентификации кривой тока КЗ на МК (нам удалось найти лишь один патент) и идентификаторов в виде ФТОП и ФТНП на МК (два патента), которые могут обеспечивать получения информации о токе в электроустановке без трансформаторов тока (ТА). Анализ показал: в связи с переходом на микропроцессорную базу для повышения надежности систем РЗ возникла необходимость использовать дублирование (в том числе и ТА)по принципу мажорирования, а для этого нет достаточного количества идентификаторов тока, приспособленных к условиям работы РЗ и удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к ней. Известные магниточувствительные элементы имеют недостатки: датчики тока на элементах Холла, на магнитодиодах, магнитотранзисторах, магниторезисторах реагируют на изменение температуры;
радиоэлектронные ТА, оптико-электронные ТА, магнитные трансформаторы, индукционные преобразователи и датчики Холла нуждаются в усилителях сигнала;
преобразователи тока с емкостной связью – в генераторах тока высокой частоты;
катушки Роговского – в дополнительных интегрирующих устройствах. Указанных недостатков лишены МК. К тому же они, кроме достоинств, указанных в актуальности темы, не нуждаются в усилителях для передачи сигнала, обладают высоким быстродействием и малой стоимостью. МК представляют особый интерес для построения резервной системы РЗ, способной одновременно дублировать и защиты и ТА, не используя последние, т.к. магнитоуправляемый контакт может выполнять функции и ТА и реагирующего элемента защиты одновременно, являясь в этом плане весьма привлекательным идентификатором. Уже известны такие варианты выполнения защит. Однако многие защиты еще не разработаны или недостаточно совершенны, например с идентификаторами в виде ФТОП и ФТНП (в главе проанализированы их достоинства и недостатки). Подавляющее большинство известных идентификаторов на МК, выполненных на одном МК, способны воспроизводить только одну мгновенную величину тока в фазе электроустановки, который создает магнитное поле с напряженностью достаточной для его срабатывания. Однако многие современные защиты выполняются на основе анализа изменений тока за определенное время, например, за половину периода промышленной частоты, и отсутствие идентификаторов, способных полностью воспроизвести синусоиду, сдерживает построение дублирующей системы РЗ на МК.
Из изложенного следует, что построение идентификаторов, как воспроизводящих одно мгновенное значение тока КЗ, так и ряд его значений, описывающих кривую тока КЗ, актуально.
Во второй главе изложены предлагаемые способы идентификации установившегося тока КЗ, основанные на измерении а) времени tCP от момента трогания контактов переключающего МК до их замыкания;
б) времени t 2 ( t 3 ) между замыканиями (размыканиями) контактов двух МК, закрепленных на безопасном расстоянии от токопроводов защищаемой электроустановки (ЭУ), и микропроцессора, к которому они подключены;
в) на измерении времени t между моментами замыкания и размыкания сработавших п магнитоуправляемых контактов. Причем число п выбирается в зависимости от кратности K I тФ / I CP1, где I тФ - амплитуда тока, протекающего в токопроводе фазы ЭУ, а I CP1 - ток в нем, при котором замыкаются контакты МК.
Измерение времени осуществляется следующим образом (рис.1).
Магнитоуправляемые контакты 1 и 2 установлены в плоскости поперечного сечения токопроводов 3 горизонтально расположенных фаз А, В, С электроустановки на безопасных от них расстояниях l A, l B, lC и подключены к логическому элементу И-4 с инверсным входом. Время t 2 измеряется таймером 5 микропроцессора, который запускается при срабатывании МК-1 и останавливается при срабатывании МК-2. Схемы определения t 3, как и tCP, t аналогичны, но для tCP только в случае, если используется переключающий геркон.
Рисунок 1 - Схема, реализующая способ измерения тока по времени между срабатываниями двух МК Для идентификации установившегося тока КЗ, протекающего в токопроводе, надо рассчитать его амплитуду I тФ, а по ней мгновенные значения тока. Теоретически I тТ можно рассчитать исходя из элементарных представлений о синусоидальном токе, в соответствии с которыми (рис. 2,а):
I СР2 I тТ sin (t01 t 2 ), где t01 - время от момента I СР1 I тТ sin t01, перехода синусоиды через «0» до момента срабатывания;
I СР 2 - ток в токопроводах ЭУ, при котором замыкаются контакты замыкающего МК-2.
Рассматривая эти равенства как уравнения относительно амплитуды I тТ и t01, легко найти амплитуду I mТ без учета каких либо погрешностей. Если известны токи возврата двух герконов ( I B 1 и I B 2 ) и t 3 между размыканиями их контактов, то при расчете I т ток I CP1 заменяется на I B1,а I CP2 - на I B 2 и t2 на t 3.
Амплитуду I т можно определить и по времени tCP срабатывания геркона (это время от момента трогания контактов до их замыкания tCP t01 t10 ), если суметь измерить ток I TP (ток, при котором контакты начинают движение) и tCP (момент трогания просто фиксируется лишь у переключающего геркона). Также I т можно определить по t1 (рис.2,а).
Погрешности при определении I тФ. В релейной защите считается допустимым, если трансформаторы тока, вместо которых в данной работе используются МК, должны иметь погрешности, не превосходящие 10%.
Поэтому будем считать, что и при определении I тФ с помощью МК необходимо удовлетворить это требование. При определении I тФ по предлагаемым способам погрешности обусловлены погрешностями и СР, ИВ, У возникающими из-за неточности измерения токов срабатывания (возврата), установки МК в расчетную точку вблизи токопроводов фаз ЭУ и измеренного времени, соответственно, а также погрешностью БСЛ, связанной с использованием закона Био-Савара-Лапласа при расчете индукции магнитных потоков ВПР, воздействующих вдоль продольной оси МК. Заметим, что погрешности ИВ зависят от кратности К. В связи с этим возникает необходимость определять зависимости К от t 2 ( t 3 ) и tCP при K=1…80.
(Ограничимся K=80, поскольку кратность тока КЗ по отношению к номинальному току I Н электроустановок не превосходит 40, причем б а Рисунок 2. а - изменение формы контролируемого тока во времени;
б - напряжение, снимаемое с концов катушки соленоида подавляющее большинство защит отстраиваются от I Н ( I CP1 k отс I H, где k отс 1,2), но известны защиты, например, дифференциальные, которые имеют ток срабатывания равный 0,5 I Н ). Экспериментами установлено, что СР 0,5%, У 3% и во многих случаях можно пренебречь БСЛ, если расположить МК на расстоянии от токопроводов, не меньшем требуемого по технике безопасности. Поэтому погрешности при определении I т из-за ИВ неточностей измерения времени не должны превышать 6%.
Аналитически рассчитывались относительные погрешности I m, t при абсолютных погрешностях измерения времени t =1мкс и t =10мкс по формуле T ( I mT I m, t ) 100% / I mT = Рисунок 3 – Аппроксимирущие кривые, = ( KC / K1 1) 100 %, где I m, t - выражающие зависимости K f (t1 ) 1,2,3,4 для герконов КЭМ-1, КЭМ-2, рассчитывалось также, как и I mТ, но КЭМ-3, МКА-14103, соответственно;
при времени на t больше, K C K f (tСР ) - 5 для геркона КЭМ-3.
задаваемая кратность тока KC I mT / ICP1, а K1 I m, t / I CP1. Расчеты показали: для того, чтобы иметь Т =5% при K=80 нужно измерять время с точностью в 1мкс. При кратности K 32 те же результаты получаются и при 10мкс, но для t 2, если I CP 2 I CP1 1,8, а для t 3 при I B1 / I B 2 2,5. Если эти соотношения меньше 1,8, но больше 1,2, то Т =5% при 4 =1мкс. Учитывая изложенное и то, что современные таймеры легко обеспечивают измерение времени с точностью в 1мкс, можно считать её вполне приемлемой при идентификации токов рассмотренными способами. Однако фактические погрешности T, где I mФ - амплитуда реального тока, ( I т I mФ ) 100 % / I mф Ф протекающего в токопроводе. Определение Ф в условиях эксплуатации, когда МК установлен вблизи электроустановки затруднительно. В диссертации теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что, если пренебречь погрешностями СР и У, при использовании одних и тех же приборов для измерения соответствующих времени и токов вблизи токопроводов ЭУ и в стандартном соленоиде, то для оценки Ф можно пользоваться формулой: K ( I mK I mKФ ) 100% / I mK Ф, где I mK - расчетная величина амплитуды тока в стандартном соленоиде (без учета каких либо погрешностей);
I mК - амплитуда тока, измеренного в ней при срабатывании МК. При К=1…80 и измерении t1 и t CP с погрешностью 1мкс (с помощью осциллографа) сняты зависимости К I mК / I CP1К от t1 и t CP (рис. 3 кривые 1 4 для герконов КЭМ-1, КЭМ-2, КЭМ-3, МКА-14103 и 5 – К от t CP для КЭМ-3), где I CP1К - мгновенное значение тока срабатывания. Рассчитаны погрешности K определения амплитуды I mKФ тока, измеренного в стандартном соленоиде, и построены зависимости K от K (рис.4): 1, 2, 3 для КЭМ-1, КЭМ-2, КЭМ-3, соответственно, при определении тока по времени t1;
4 –для КЭМ-3 по tCP ;
5 и 6 –для двух герконов по t 2 и t3 ;
зависимость 7 это Т f (К ) при измерении времени t1 с точностью в 1мкс (рассчитана теоретически, без У ). Рассчитанные также погрешности при измерении времени t 2 и t3 при К=80 не превосходят 4%, если отношения I СР 2 / I СР1 1,4 и I В1 / I В 2 1,4. Соответствующие зависимости на рис.4 не показаны, так как они проходят вблизи прямой 7.
Рисунок 4. - Зависимости f (K) : 1, 2, 3 – при определении тока по времени t1 для герконов КЭМ-1, КЭМ-2, КЭМ-3, соответственно;
4 –по tCP для КЭМ-3;
5 –по t 2 ;
6 - по t3 ;
7 – теоретическая погрешность определения I m по t1, если t1 измеряется с точностью в 1мкс.
Значения погрешностей найденных экспериментально, когда ток пропускался по шинам вблизи, которых были установлены испытуемые МК, отличались от K на 2…4%, что хорошо согласуется с погрешностями У установки вблизи токопровода, так как они и являются основной причиной этого отличия (значения Ф при снятии зависимости от К по времени t1 показаны на рис.4 значками,,). Чтобы не загромождать рис.4, для остальных кривых Ф не показаны. Эксперименты, как и расчеты, трижды повторялись при установке МК в точки с разными координатами. Результаты по оценке погрешностей практически совпадали.
Чтобы использовать результаты, полученные в лабораторных условиях, нужно знать, как рассчитать ток, который протекает в токопроводах электроустановки, если измеряется соответствующее время у МК, расположенного на безопасном расстоянии от них. При этом точка М (рис.1), через которую проходит продольная ось МК, должна совпадать с его центром тяжести, а продольная ось располагаться так, чтобы вдоль неё действовал магнитный поток создаваемый только фазой А. Для этого надо исключить влияние других фаз, в данном случае В и С, что, как известно, обеспечивается следующим равенством cos2/lВ=cos3/lС, где (рис.1) 1, 2 и 3 – углы между осью МК и векторами индукций ВА, ВВ и ВС магнитных потоков, созданных комплексами токов IА, IВ и IC в токопроводах фаз А, В и С;
lА, lВ и lС –расстояния от центров окружностей поперечного сечения токопроводов до точки М. Тогда индукция магнитного потока, действующая вдоль контактов геркона, ВПР, А = 0·IА(cos1/lА-cos2/lВ)/2, где 0 – магнитная проницаемость воздуха. Положение МК определяется из следующих соображений: 1) lА, lВ и lС с учетом длинны баллона МК должны быть больше расстояний, допустимых по технике безопасности;
2) удобства крепления;
3) необходимо, чтобы BПР,АBСР, так как МК обладает ограниченной чувствительностью, определяемой его намагничивающей силой срабатывания. Здесь BСР=0·ICPКWK/lK, где ICPК – ток в соленоиде, при котором срабатывает, например МК-1, помещенный в нее так, чтобы их продольные оси совпадали;
WK и lK - число витков и длина соленоида, причем lKrK, rK – ее радиус. Приравнивая BПР,А (в момент срабатывания, когда ток IA=IСР) к BСР, получим, введенный нами, коэффициент пересчета токов в катушке соленоида на токи в фазах токопровода электроустановке при срабатывании МК:
2 WK К П I CP / I CPК (1) lK (cos 1 / l A cos 2 / lB ) Из изложенного следует: 1) ф КП, где КП - погрешности К У расчета коэффициента «КП»;
2) зависимостями K f (t1 ) и K f (tCP ), f (K ) полученными в лабораторных условиях, можно пользоваться для К расчета тока I mФ в электроустановке;
3) расчет этого тока должен происходить в следующей последовательности: в лабораторных условиях с помощью стандартного соленоида находятся токи срабатывания и возврата МК, H снимаются и аппроксимируются зависимости кратности тока K= I тК / I m ( I тК – H амплитуда тока, протекающего в катушке соленоида, I m - амплитуда номинального тока электроустановки) от времени tCР или t 2, t 3 при K=1…80;
они вводятся в микропроцессор, где по соответствующему времени, измеряемому при КЗ, используя эти зависимости, рассчитывается амплитуда I т тока КЗ, а по I m – его мгновенные значения. Также можно определять I т по времени t замкнутого состояния МК после срабатывания.
Показано, что: при K40 и отношениях токов срабатывания (возврата) двух МК превышающих 1,4, для расчета I т по t 2 ( t 3 ) можно пользоваться элементарными понятиями о синусоиде, не снимая зависимость K=f(t), как и при расчете I т по tСР при K15;
время, необходимое для идентификации установившегося тока КЗ при кратности K80 с погрешностью меньшей 10%, не превосходит 10…15мс, если измерять время tCР, t 2 ( t 3 ), t1 с точностью в 1мкс и в лаборатории и вблизи токопроводов электроустановки.
Из изложенного следует, что предложенные способы идентификации установившегося тока КЗ с помощью МК могут использоваться при построении программных защит и дают возможность учесть погрешности определения амплитуды упомянутого тока на основе экспериментальных данных.
Третья глава посвящена разработке идентификаторов тока на основе построения фильтров тока обратной и нулевой последовательностей (ФТОП и ФТНП) на катушках индуктивностей (КИ) и МК без использования трансформаторов тока.
Предлагаемый ФТОП содержит (рис.5) магнитоуправляемый контакт МК-1 (выходной элемент фильтра) с обмоткой 2 управления, катушку индуктивности КИ-6, усилитель 3, фазоповоротную схему (ФПС) 4, регулировочный резистор 5. МК-1 и КИ-6 расположены в магнитном поле токов I A, I В и I C в токопроводах фаз А, В и С электроустановки (ЭУ) так, чтобы их продольные оси находились в плоскости перпендикулярной осям токопроводов.
Рисунок 5 – Иллюстрация к выбору координат МК-1 и МК-7 для выполнения функций ФТОП и ФТНП, соответственно Г Пусть B ПР индукция магнитного поля, созданного токами I A, I B и I C при любом расположении токопроводов фаз, в зазоре между контактами МК (рис.5), действующая вдоль его продольной оси (далее, везде будем писать просто «индукция», имея в виду всё перечисленное). Тогда в соответствии с законом Био-Савара-Лапласа:
Г (аГ I A bГ I B сГ I C ), 0 (2) B ПР ГГ ГГ ГГ где а Г cos a1 / l А, bГ cos a2 / lВ, cГ cos a3 / lС.
Таким же выражением, только c соответствующими углами и расстояниями, описывается и индукция В КИ, действующая вдоль продольной ПР оси КИ-6 (далее отмеченными индексами КИ).
МК-1 может путем переключения контактов (срабатывания) выдать сигнал о появлении тока I2 обратной последовательности, если суммарная индукция:
Г В ОБМ К1 I 2, B ПР B ПР (3) ПР где К1 - коэффициент пропорциональности, B ОБМ - индукция магнитного поля, ПР созданного током I ВЫХ в обмотке 2 (рис.5), которая вычисляется по известной формуле:
ОБМ В ПР I ВЫХ 0 W2 / V, (4) (lОБМ 2 ) 2 ( DСР.2 ) 2, W2 – количество витков обмотки 2, lОБМ 2 и DСР.2 – где V длина каркаса обмотки и её средний диаметр.
Ток I ВЫХ в обмотке 2 создается ЭДС Е на концах КИ 6, которая значительно увеличивается усилителем 3. Е наводится потоком Ф с магнитной индукцией В КИ. Поток направлен вдоль оси КИ и проходит через площадь S её ПР поперечного сечения. Е сдвинута относительно Ф на угол -900.
(2 f W6 S ) B КИ е j ЕКУ е j /z еj, Е ФПС, (5) I ВЫХ ПР где W6 и Е –количество витков КИ 6 и ЭДС, наведенная в ней, f – частота промышленного тока, К У - коэффициент усиления усилителя 3, ФПС - угол X ОБМ R2, поворота, обеспечиваемый ФПС 4;
z X ОБМ2, arctg R rОБМ 2 r5 ;
XОБМ 2, rОБМ 2 и r5 – индуктивное, активное сопротивления R обмотки 2 и активное сопротивление регулировочного резистора 5.
Из (4) и (5) имеем В ОБМ K 2 B КИ, j 90 j /V z е j 0 f S W2 W6 КУ е е K2 (6) ФПС ПР ПР Для того, чтобы этот ФТОП реагировал на токи IA,2, IB,2, IC,2 обратной последовательности нужно исключить влияние токов IA,0, IB,0, IC,0 нулевой и прямой IA,1, IB,1, IC,1 последовательностей. Исключить первое можно, если сделать так, чтобы сумма коэффициентов в (2) (и в таком же выражении для КИ) была равна нулю, второе, если компенсировать действие IA,1, IB,1, IC,1 с помощью тока IBЫХ в обмотке 2, то есть добиться равенства:
B ОБМ Г B ПР,1, (7) ПР, ОБМ Г где В ПР,1 и В ПР,1 - индукции магнитных полей, созданных токами IA,1, IB,1, IC,1 в обмотке 2 (получаемыми через КИ) и в фазах А, В, С. Тогда, аналогично тому, как это сделано для полных токов, используя (4), (5) и принцип суперпозиции (при разложении на симметричные составляющие коэффициент К2 не меняется), легко показать, что:
ОБМ КИ В ПР,1 К 2 В ПР,1, (8) КИ где В ПР,1 - индукция магнитного поля, созданного токами IA,1, IB,1, IC,1, вдоль продольной оси КИ, описывается формулой (2) при подстановке в неё этих токов и индексов КИ.
0 Имея ввиду, что I В,1 I A,1е j120, I C,1 I A,1е j120, из (7) и (8), получаем:
900 0 0 0 е j( ) (а КИ bКИ е j120 cКИ 6 е j120 ) (a Г bГ е j120 c Г е j120 ). (9) ФПС Рассматривая это равенство как уравнение относительно угла ФПС, рассчитываем его, а затем и коэффициент КУ усилителя 3 из (6).
Предварительно находятся координаты установки МК-1 и КИ-6 и коэффициенты а, b и с. Покажем как определить координаты точки М.
Учитывая, что а Г bГ c Г 0, и, используя связи между параметрами треугольников АВМ, МВС, АСМ (по теореме косинусов), составляется система Г Г Г из четырех уравнений, в которых имеется шесть неизвестных l A, l B, lС и 1Г, Г, 3Г. Задаваясь, например углом 1Г =00, решаем систему в MathCad 13, находим координаты установки МК-1, которые удовлетворяют уравнениям и требованиям техники безопасности. Например, для электроустановки напряжением 35кВ при расстояниях между фазами l1 =5м, l 2 =3,2м, l3 =5,3м Г Г Г Г Г 0 получено: l A =3,3м, l B =1,9м, lС =3,6, 3 =5,6’. Подобно 2 =-149,17’, находятся координаты установки КИ. В условиях эксплуатации можно легко установить МК так, чтобы его центр тяжести находился в точке М, если предварительно найти (рис.5) угол 1 через соотношения сторон в треугольнике МВС, а затем длины РМ и l 4 из прямоугольного -ка MРС.
На тех же самых МК и КИ может быть выполнен фильтр тока обратной последовательности (ФТОП) для горизонтального расположения фаз ЭУ при представлении В ПР и В ОБМ из (3) в следующем виде:
Г ПР Г т2 I С ) / 2 ;
В ОБМ В ПР 0аГ (I A т1 I В 0аГ ( т2 I A т1 I В I С ) / 2, (10) ПР где т1, т2 - коэффициенты, определяемые из соображений максимальной чувствительности при условии, что должно выполняться равенство т1 + т2 =1.
Такое представление обеспечивает В ПР 0 (для проверки достаточно подставить в (10) вместо полных токов токи IA,0, IB,0, IC,0). Оно обеспечивает и исключение влияния токов прямой последовательности на МК-1, если:
bГ и bКИ и т1 а Г т2 а Г сГ, т1 сКИ т2 сКИ аКИ, (11) Тогда ВОБМ К 2 В КИ I С ) / 2, где К2 определяется 0сКИ ( т2 I А т1 I В ПР ПР по (6). Покажем с помощью векторной диаграммы (рис.6,а), что при использовании (10) и (11) прямая последовательность исключается. Примем, например, т1 =0,4 и т2 =0,6. Тогда для обеспечения В ПР,1 0 нужно, чтобы / вектор I A,1 (0,4 I В,1 0,6 I С,1 ) был равен и противоположен вектору I // I С,1 (0,6I А,1 0,4I В,1 ). Из векторной диаграммы видно, что это возможно, I с помощью ФПС 4. В данном случае = 47 0. Таким если повернуть I1// на угол Г ОБМ Г КИ образом, индукция вдоль оси МК-1 В ПР, 2 В ПР, 2 В ПР, 2 В ПР, 2 В ПР, I А, 2 2, где КМ коэффициент, зависит от величины т1 и определяется = КМ 0а Г по векторной диаграмме рис.6,в (в данном случае К М =2,2, а при т1 =0, К М =1,5), и сигнал на выходе предлагаемого идентификатора появится только при повреждениях ЭУ, сопровождающихся токами обратной последовательности.
Рисунок 6 – Векторные диаграммы токов: а –прямой последовательности;
б –нулевой последовательности;
в –обратной последовательности Фильтр тока нулевой последовательности (ФТНП) при горизонтальном расположении фаз ЭУ выполняется также на МК-1 и КИ-6. Данный фильтр можно выполнить, если в (3) обеспечить Г В ОБМ т1 I B ), т2 I B ) 0 (12) B ПР Г (I А Г (I C ПР 2 Г при т1 + т2 =1. Тогда B ПР,0 3К3 I0. Для того, чтобы B ПР,0 3 0 Г I0 / получить (12) достаточно иметь: т1 аГ bГ, cГ 0, т1 cГ bГ, aГ 0 и найти координаты для МК-1 и КИ 6 также, как для ФТОП при треугольном расположении фаз.
Как показывает анализ, при изменении т1 и т2 от 0,1 до 0, действительная часть коэффициента К2 меняется значительно. Удобные для их крепления координаты получаются при т1 =0,5. Коэффициент Ку и угол 900 определяются также, как и в предыдущих случаях.
ФПС Фильтр тока нулевой последовательности (ФТНП) для расположения фаз по вершинам треугольника. Здесь ФТНП можно построить на одном МК- Г (рис.5). Из выражения (2) следует, что B ПР 3К 4 I (0), если K 4 bГ c Г.
Г Учитывая последнее равенство и используя, как и ранее, связи между параметрами треугольников АВМ, МВС, АСМ (по теореме косинусов), составляется система из пяти уравнений, решая которую с помощью MathCad 13, находим координаты l A, lB, lC, 1/, 2, 3 установки МК-7 (рис.5). В // / / / результате получаем множество точек, которые находятся на описанной вокруг треугольника АВС окружности. Причем геркон устанавливается так, что его продольная ось совпадает с касательной к этой окружности.
Рассмотренные устройства выполняют функции ФТОП и ФТНП на МК и катушках индуктивности (три запатентованы). Они достаточно просты, особенно на одном МК при треугольном расположении фаз. При внедрении позволяют экономить медь и сталь, но защиты, построенные на их основе уступают по чувствительности традиционным с фильтрами на ТА.
В четвертой главе описываются устройства крепления для идентификаторов на МК вблизи токопроводов ЭУ. Для использования идентификаторов необходимо установить МК как можно более точно, не применяя для этого дорогостоящих устройств. Его нужно крепить на безопасном расстоянии от ЭУ с помощью конструкций, которые зависят от расположения фаз ЭУ, её напряжения, типа распределительного устройства, исполнения токоведущих частей. При этом все они должны выполняться из немагнитных материалов, и на них не должна влиять окружающая среда. Они должны обеспечивать возможность изменять координаты МК в широких пределах. Как правило, для этого необходимо перемещать МК в горизонтальной и вертикальной плоскостях и изменять угол между горизонтальной или вертикальной плоскостями и его продольной осью. Патентная проработка показала, что имеется 15 таких устройств для ЭУ 6…110кВ закрытых и открытых распределительных устройств. В главе представлены те пять, которые построены при моем участии (три защищены патентами). Рассмотрим одно из них, предназначенное для открытого распределительного устройства ЭУ напряжением 6…35кВ (рис. 7). Расположение пластины 1 с МК изменяется вдоль штанги 2 со шкалой при помощи болтов 5 с гайками-барашками 3.
Перемещение МК 4 на пластине влево или вправо относительно токопроводов осуществляется с помощью ручки 5 с контргайкой 6, воздействующей на платформу 7, по стержню 8 с резьбой 9, и отображается на шкале 10 верхней части кожуха 11. Штанга 2 прикреплена к вершинам правильного треугольника 12 крепежными болтами 13. Измерение расстояния от МК 4 до токопровода в вертикальной плоскости достигается перемещением положения кожуха 11 и фиксируется зажимами 14. Угол между горизонтальной плоскостью и продольной осью геркона 4 изменяется ручкой 15 с контргайкой 16, которая воздействует на пластину 17 с резьбой 18 и стержень 19 с резьбой 20. Изменение угла отображается градуировкой 21, в окошке 22 кожуха 11 на платформе 7.
Положение МК на остальных пластинах регулируются аналогично.
Предлагаемые конструкции спроектированы так, что перемещение МК осуществляется в вертикальной плоскости относительно провода с током, угол между нею и продольной осью МК можно изменять, не снимая кожух. Это облегчает эксплуатацию устройства и защищает контактные соединения и провода от неблагоприятного воздействия внешней окружающей среды.
Рисунок 7 – Конструкция для крепления МК на трехфазных симметричных токопроводах напряжением 6…35 кВ ЗАКЛЮЧЕНИЕ В работе решена задача идентификации установившегося тока короткого замыкания (КЗ) с помощью магнитоуправляемых контактов (МК), что создает предпосылки для построения резервной системы РЗ, способной одновременно дублировать традиционную и трансформаторы тока (ТА), не используя последние. Внедрение такой системы имеет хозяйственное значение и может внести вклад в развитие стран СНГ.
Результаты работы сводятся к следующему:
1. Разработаны способы идентификации установившегося тока КЗ, основанные на измерении а) времени tCP от момента трогания контактов переключающего МК до их замыкания;
б) времени t 2 ( t 3 ) между замыканиями (размыканиями) контактов двух МК, закрепленных на безопасном расстоянии от токопроводов защищаемой электроустановки (ЭУ), и микропроцессора, к которому они подключены.
2. Разработана методика, позволяющая реализовывать указанные способы:
В лабораторных условиях с помощью стандартного соленоида находятся токи срабатывания и возврата МК, снимаются и аппроксимируются зависимости H кратности тока К= I тК / I m ( I тК – амплитуда тока в катушке этого соленоида, H I m - амплитуда номинального тока ЭУ) от времени tCР или t 2, t 3 при K=1…80.
Они вводятся в микропроцессор, где по соответствующему времени, измеренному при КЗ с помощью этого же МК, установленного вблизи токопроводов после лабораторных испытаний, используя полученные зависимости, рассчитывается амплитуда I т тока КЗ, а по I m – его мгновенные значения. Также можно определять I т по времени t1 замкнутого состояния МК после срабатывания.
3. Показано, что, при K40 и отношениях токов срабатывания (возврата) двух МК превышающих 1,4, для расчета I т по t 2 ( t 3 ) можно пользоваться элементарными понятиями о синусоиде, не снимая зависимость K=f(t), как и при расчете I т по tСР при K15.
4. Установлено, что при кратности K 80 предложенные способы позволяют воспроизвести установившийся ток КЗ за 10…15мс с погрешностью, не превышающей 10%, если измерять время с точностью в 1мкс и в лаборатории и вблизи токопроводов ЭУ.
5. Дана методика построения и определения параметров простых идентификаторов тока в виде ФТОП и ФТНП на МК с обмоткой управления и катушки индуктивности, основанная на использовании разработанных аналитических выражений для токов I2 обратной и I0 нулевой последовательностей.
6. Показано, что для выявления токов I2 и I0 при горизонтальном расположении фаз МК с управляющей обмоткой и катушку индуктивности необходимо устанавливать симметрично по отношению к фазе В, а при расположении фаз по вершинам треугольника – внутри него. Причем в последнем случае для выявления I0 можно использовать МК без обмотки, но устанавливать его надо на окружности, описанной вокруг этого треугольника.
7. Разработанные конструкции для крепления МК и катушек индуктивности в заданных точках дают возможность регулировать параметры идентификаторов, построенных с их помощью, путем перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях относительно токопровода электроустановки и изменения угла между горизонтальной или вертикальной плоскостями и продольной осью МК.
8. Рекомендуется применять разработанный способ идентификации установившегося тока КЗ по времени t2 (t3) между срабатываниями (возвратами) двух МК в электроустановках напряжением 3…110кВ.
Список опубликованных работ по теме диссертации Статьи в периодических изданиях рекомендованных ВАК 1 Жантлесова, А.Б. Фильтры симметричных составляющих для электроустановки с токопроводами фаз по вершинам треугольника. / А.Б.
Жантлесова [и др.] // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2008. – № 3–4. – С. 76–81.
2 Жантлесова, А.Б. Фильтр тока нулевой последовательности на герконах без трансформаторов тока. / А.Б. Жантлесова [и др.] // Известие высших учебных заведений Проблемы энергетики. – 2009. – №7–8. – С 46–53.
3 Жантлесова, А.Б. Геркон – как фильтр тока нулевой последовательности / А.Б. Жантлесова [и др.] // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. – 2011. – №1. – С 300-303.
4 Жантлесова, А.Б. Фильтр тока обратной последовательности на герконах для электроустановок с горизонтально расположенными токопроводами / А.Б. Жантлесова [и др.] // Омский научный вестник. – 2012. – №1. – С 202-204.
Патенты на изобретения 5 Пат. 2374736 Российская Федерация, МПК7 H02Н 3/08. Фильтр тока нулевой последовательности на герконах для электроустановок с горизонтально расположенными токопроводами / А.Б. Жантлесова [В.Н. Горюнов, М.Я.
Клецель, П.Н. Майшев, М.Т. Токомбаев];
заявитель и патентообладатель «Омский государственный технический университет»;
- № 2008137897/09;
заявл.
22.09.2008;
опубл. 27.11.2009, Бюл. № 33. – 8 с.
6 Пат. 2377579 Российская Федерация, МПК7 G01R 19/30. Способ измерения тока / А.Б. Жантлесова [К.И. Никитин, М.Я. Клецель, М.Т.
Токомбаев];
заявитель и патентообладатель «Омский государственный технический университет»;
- № 2008100795/28;
заявл. 09.01.2008;
публ.
27.12.2009, Бюл. № 36. – 8 с.
7 Пат. 2383095 Российская Федерация, МПК7 H02H 3/08. Фильтр тока обратной последовательности на герконах для электроустановок с горизонтально расположенными токопроводами / А.Б. Жантлесова [В.Н.
Горюнов, М.Я. Клецель, П.Н. Майшев, М.Т. Токомбаев];
заявитель и патентообладатель «Омский государственный технический университет»;
- № 2008137903/09;
заявл. 22.09.2008;
опубл. 27.02.2010, Бюл. № 6. – 9 с.
8 Пат. 18935 Республика Казахстан, МПК7 H02H 3/08. Фильтр тока обратной последовательности для электроустановки с токопроводами, расположенными по вершинам треугольника / А.Б. Жантлесова, М.Я. Клецель;
заявитель и патентообладатель «Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова»;
- № 2006/0109.1;
заявл. 06.02.2006;
опубл. 15.11.2007, Бюл. № 11. – 7 с.
9 Пат. 19882 Республика Казахстан, МПК7 H02H 3/08. Измерительный орган для релейной защиты трехфазных симметричных токопроводов напряжением 35-110 кВ/ А.Б. Жантлесова, М.Я. Клецель, П.Н. Майшев;
заявитель и патентообладатель «Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова»;
- № 2006/1350.1;
заявл. 01.12.2006;
опубл. 15.08.2008, Бюл. № 8.–6 с.
10 Пат 19636 Республика Казахстан, МПК7 Н 02 Н 3/08. Измерительный орган для релейной защиты трехфазных симметричных токопроводов напряжением 6-35 кВ / М.Я. Клецель, А.Б. Жантлесова, Б.Б. Жантлесова;
заявитель и патентообладатель «Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова»;
- № 2006/0882.1;
заявл. 31.07.2006;
опубл. 16.06.2008.
Бюл. №6. – 6с.
11 Пат. 24922 Республика Казахстан, МПК7 G01R 19/30. Способ измерения тока с помощью двух герконов / А.Б. Жантлесова, М.Я. Клецель, В.Н.. Горюнов, У.К. Жалмагамбетова;
заявитель и патентообладатель «Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова»;
- № 2010/1466.1;
заявл. 27.11.2010;
опубл. 15.11.2011, Бюл. № 11. – 3 с.
Материалы международных, всероссийских и региональных конференций 12 Жантлесова, А.Б. Конструкции для настройки защит на герконах токопроводов напряжением 6–35 кВ / А.Б. Жантлесова, М.Т. Токомбаев, М.Я.
Клецель // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. – 2008. – № 2 (выпуск 24). – С. 100–104.
13 Жантлесова, А.Б. Измерительный орган релейной защиты на герконах для токопроводов напряжением 635 кВ / А.Б. Жантлесова // Матер. междунар.
научн. конф. молодых учёных, студентов и школьников «VIII Сатпаевские чтения». –2008. – Том 20. – С. 138–141.
14 Жантлесова, А.Б. Фильтры токов нулевой последовательности на герконах / А.Б. Жантлесова, М.Я. Клецель, П.Н. Майшев, М.Т. Токомбаев // Труды XII междунар. конф. «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» МКЭЭЭ-2008 – 2008. – С. 308.
15 Жантлесова, А.Б. Способ идентификации тока короткого замыкания с помощью герконов / А.Б. Жантлесова, У.К. Жалмагамбетова, М.Я. Клецель // Матер. междунар. научн.-технич. конф. «IV чтения Ш. Шокина». –2010. – С.
228–231.
16 Жантлесова, А.Б. Способ определения установившегося тока короткого замыкания с помощью замыкающих герконов / М.Я. Клецель, П.Н.
Майшев, А.Б. Жантлесова, А.В. Нефтисов // Энергетическое обследование как первый этап реализации концепции энергосбережения: материалы Международной молодёжной конференции/ НИ ТПУ. – Томск: Изд-во ООО «СПБ Графикс», 2012. – 280-283 с.