книги / Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты

Рис. 6.6. Зависимость относительной максимальной магнитной проницаемо­ сти МДЭ МПВ от удельного давления прессования и процентного содержа­ ния связки для железного порошка марки ПЖ2МЗ:

1 - без связки; 2 - 0,5 % ЭД-20; 3 - 2% ЭД-20; 4 - 4 % ЭД-20

рошка ферромагнитной основы МДЭ. Для примера провели расчет ИПТМТ при следующих исходных данных: номинальный первичный ток I 1ном = 2 кА; номинальный вторичный ток / 2НОм = 1 А; предельная

нальном режиме —токовой / т = —3,8% и угловой 5Т = 4,3°. При необ­ ходимости рассмотренный ИПТМТ может быть выполнен на вторичный номинальный ток / 2Н0М = 5 А, хотя при этом несколько ухудшаются его метрологические характеристики (fT = - 4,5%; 6Т = 5,4%).

Отметим, что ИПТМТ по сравнению с ТТЗ более помехоустойчив к влиянию внешних магнитных полей, что объясняется следующим. Как показано в [110], при выполнении МПВ ТТЗ с двумя диаметрально про­ тивоположными воздушными зазорами вместо одного (с одинаковой суммарной длиной и при неблагоприятном расположении внешнего токопровода) влияние помехи уменьшается приблизительно в 2 раза, а при четырех зазорах, равномерно распределенных по МПВ, в 3—4 раза. В МДЭ МПВ число зазоров исчисляется десятками и сотнями тысяч (при эквивалентной длине единичного зазора в несколько микромет­ ров), что способствует существенному уменьшению влияния внешних полей на работу ИПТМТ. Наряду с этим наблюдается значительное сниже­ ние погрешности по сравнению с ТТЗ шинных типов от смещения первич­ ного токопровода в окне МПВ. В [112] показано, что увеличение числа зазоров до двух (вместо одного) при сохранении суммарной их длины уменьшает погрешность смещения приблизительно в 2,1 раза, а при че­ тырех зазорах эта погрешность не превышает 0,5-0,6%. Поэтому в ИПТМТ шийного типа значение погрешности смещения первичного то­ копровода пренебрежимо мало. При использовании в комплектных распределительных устройствах низкого напряжения ИПТМТ шинного исполнения имеет преимущества перед ТТЗ вследствие уменьшения

201

установочных размеров благодаря применению МПВ прямоугольной фор­ мы. Как показано в [НО], при наличии зазоров МПВ прямоугольной формы по своей помехоустойчивости мало отличается от тороидально­ го при одинаковых конструктивных параметрах МПВ (средней магнит­ ной длине, сечении и общей длине зазоров). Используемая технология холодного прессования железных порошков позволяет изготовлять МПВ не только кольцевой (как у ТТЗ), но и тороидальной формы, что уменьшает потоки рассеяния вторичной обмотки и, следовательно, угловые погрешности ИПТМТ.

Следует ожидать, что преимущества ИПТМТ проявятся в полной мере в случае их группового включения, например в схемах диффе­ ренциальных защит или токовых защит нулевой последовательности се­ тей с глухозаземленными нейтралями. Высокая повторяемость характе­ ристик ИПТМТ, обеспечиваемая порошковой технологией изготовле­ ния МПВ, практически исключит трудоемкий процесс подбора ИПТ в группы, что даст ощутимый технико-экономический эффект. Целе­ сообразно также рассмотреть вопрос о возможности использования ИПТМ с МПВ из МДЭ, имеющего fir тах « 500, в качестве ТТ нулевой последовательности в сетях с изолированной нейтралью. Представляется также весьма перспективным использование МДЭ МПВ для ТТ блоков питания устройств МПРЗ.

Следует подчеркнуть, что при возникновении КЗ безаварийность функционирования объектов ЭЭС обеспечивается не только высокими чувствительностью и быстродействием устройств РЗ, но также необхо­ димым быстродействием и отключающей способностью АВ, что позво­ ляет в допустимое по электродинамической и термической стойкости аппаратуры и токоведущих частей время выявить повреждение и от­ ключить его. В связи с ростом мощностей ЭЭС в ряде случаев АВ не удовлетворяет требованиям отключающей способности, а также электро­ динамической и термической стойкости. В этих случаях наиболее эффек­ тивным является использование токоограничивающих реакторов. Токо­ ограничивающие реакторы наиболее широко применяются в сетях нап­ ряжением 6—10 кВ, причем используются преимущественно реакторы без ферромагнитных МПВ, чтобы исключить возможность их насыщения при больших токах КЗ. Это приводит к тому, что для получения необ­ ходимых индуктивных сопротивлений обмоток реакторов приходится существенно увеличивать число их витков. Выполнение МПВ из электро­ технической стали с зазорами существенно усложняет конструкцию ре­ акторов и обычно не позволяет экранировать сильные внешние электро­ магнитные поля, возникающие в режиме протекания токов КЗ. Указан­ ные недостатки устройств токоограничения можно преодолеть, исполь­ зуя МДЭ, например на основе железных порошков, для выполнения замкнутых МПВ реакторов и токоведущих шин. Исследования показа­ ли, что это позволяет существенно (в несколько раз) уменьшить число

202

витков обмоток токоограничивающих реакторов и напряженность их внешних электромагнитных полей, а также при необходимости в де­ сятки раз увеличить индуктивное сопротивление токоведущих шин. Применение порошковых МПВ реакторов открывает принципиальную возможность увеличения индуктивного сопротивления их обмотки с ростом ограничиваемого тока в условиях КЗ [131].

6.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ИПТ ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В последние годы получил распространение бесконтактный метод из­ мерения как постоянного, так и переменного тока любой, даже очень сложной формы и изменяющейся частоты с помощью гальваномагнитных преобразователей, особенно элементов Холла (ЭХ) [114]. К насто­ ящему времени сформировались два направления использования ЭХ для этой цели. Первое связано с применением МПВ из электротехничес­ кой стали, в зазорах которого размещены ЭХ, второе —с использова­ нием так называемых холловских поясов, представляющих собой интег­ рирующий контур из большого числа ЭХ,'соединенных между собой и установленных вокруг токопровода. В последнем случае отпадает необ­ ходимость в МПВ. Рассмотрим каждое из этих направлений.

Принципиально возможно измерение тока с помощью одного ЭХ, расположенного вблизи шины, но такой измеритель очень чувствителен

квнешним магнитным полям. Помехоустойчивость повышается в ИПТ,

вкоторых ЭХ расположены в двух воздушных зазорах МПВ, охваты­

Учитывая, что почти вся намагничивающая сила, создаваемая током 1Х, приходится на воздушные зазоры, упростим приведенное выражение:

U X1 + U X2 = C O n S t

т.е. измеряемый ток пропорционален сумме напряжений Холла обоих

203

компенсацией помех lx

ЭХ. Под действием внешнего однородного магнитного поля одна состав­ ляющая индукции в (6.1) увеличивается, а другая уменьшается. При этом среднее значение индукции в МПВ остается прежним, за счет чего и осуществляется компенсация внешних магнитных полей. Очевидно, что компенсация имеет место только в однородных полях.

Основной недостаток такого устройства —большие масса и габариты. Так, ИПТ на номинальный ток / ном = 10 кА [115] имеет массу 160 кг, размеры: наружные — 350x596x200 мм, окна — 160x227 мм. Уменьшение размеров магнитопровода приводит к отклонению от ли­ нейной зависимости В3(11) и, следовательно, к увеличению мультипли­ кативной погрешности.

Остаточная индукция в МПВ и ее нестабильность служат источником аддитивной погрешности, возникающей в результате нестабильности нулевого сигнала ИПТ. При измерении переменных и импульсных токов возникают фазные искажения из-за фазового сдвига между величинами Ii и В3. Один из основных факторов, увеличивающих нелинейность за­ висимости В3(1х)'9 —неравномерное насыщение МПВ, для устранения которого используют, например, создание переменного сечения МПВ

иприменение магнитных шунтов. Для снижения влияния остаточной индукции в МПВ увеличивают воздушные зазоры, используют непрерыв­ ное перемагничивание МПВ вспомогательным переменным полем, вво­ дят размагничивающие обмотки, уложенные в специальные пазы МПВ,

ит.д. Все эти меры связаны с заметным усложнением конструкции ИПТ или со снижением его помехозащищенности.

Учитывая результаты исследований [42], большинство перечислен­ ных недостатков таких ИПТ можно устранить использованием при из­ готовлении МПВ порошковой технологии на основе ферромагнитных по­ рошков (железных или карбонильных). Данные § 6.3 показывают, что порошковая технология позволяет изготовлять МПВ с широким диа­

204

пазоном магнитных характеристик (цгнач = 5 -г 200 и более), обеспе­ чивает небольшое значение остаточной индукции Bs, практически полное отсутствие петли гистерезиса и высокие значения рабочих частот (в за­ висимости от размеров частиц порошка —до сотен килогерц —десятков мегагерц).

Устранение насыщения МПВ, изготовленного из электротехнической стали, без увеличения его габаритов может быть обеспечено и в другом устройстве, приведенном на рис. 6.8. Работа устройства основана на из­ мерении внешнего поля помехи элементами Холла ЭХ1,ЭХ2, усилении полученного сигнала (Усилитель 7) и преобразовании его с помощью компенсирующих обмоток wK в магнитный поток, направленный встречно потоку поля помехи. Измерение тока в собственной шине про­ изводится двумя другими элементами Холла (ЭХЗ, ЭХ4), которые включены встречно по отношению к внешнему полю (пара ЭХ1, ЭХ2 включена наоборот). Все ЭХ установлены в зазорах МПВ, охватыва­ ющего шину с измеряемым током. Отрицательная обратная связь по магнитному потоку поля помехи, создаваемая обмотками wK и Уси­ лителем 1 совместно с ЭХ1 и ЭХ2, обеспечивает снижение результи­ рующего потока в МПВ от внешнего поля помехи вплоть до нуля. При этом размеры МПВ определяются условием его ненасыщения только измеряемым током. Степень компенсации поля помехи определяется чувствительностью ЭХ1 и ЭХ2, а также коэффициентом усиления Усилителя 1. Частотный диапазон работы ИПТ определяется частотными характеристиками Усилителя 1 и ЭХ. Со стороны высоких частот до­ полнительное ограничение накладывается индуктивностью обмоток, но поскольку ИПТ работает при малых суммарных магнитных потоках внутри обмоток, влияние индуктивности проявляется слабо. В сторону низких частот рабочий диапазон простирается до постоянных магнитных полей. Описанный принцип теоретически обеспечивает компенсацию сколь угодно больших внешних магнитных полей помех, однако на прак­

тике приходится сталкиваться с серьезным ограничением: мощность усилителя в цепи обратной связи растет пропорционально напряженно­ сти внешнего поля. Тем не менее проведенные исследования показали, что путем использования выполненных на основе порошковой техно­ логии МПВ соответствующих параметров и конфигурации возможно существенное снижение требуемой мощности усилителя.

Как уже отмечалось, другое направление в технике измерения тока с помощью ЭХ основано на использовании интегрирующего контура из большого числа ЭХ, соединенных холловскими электродами параллель­ но [116] или последовательно и согласно [113]. В первом случае не используется примущество большого числа ЭХ для повышения отноше­ ния уровня сигнала к уровню помех, вследствие чего помехозащищен­ ность ИПТ крайне низка. Кроме того, для любого конечного числа ЭХ внутри контура существует так называемый ’’разрешенный круг”, в пре­ делах которого при заданной погрешности токопровод может быть лю-

205

U-1K

Рис. 6.9. Схема ИПТ типа ”холловский пояс” на основе интегрирующего контура из ЭХ

бой формы, в том числе и прямоугольной. При минимальном числе ЭХ

контура должен превышать размер широкой грани шинопровода прямо­ угольного сечения почти в 2 раза (рис. 6.9).

Кроме больших габаритов к недостаткам холловских поясов следует отнести сложность их изготовления, большое число ЭХ. Например, при использовании такого ИПТ в условиях автономных ЭЭС при изме­ рении тока в собственной шине 1Х= 3 кА и наличии тока помехи / ПОм = = 100 кА в соседней шине при возникновении КЗ (расстояние между шинами h = 100 мм, ширина шины Ъ= 100 мм) минимальное число ЭХ Nx в контуре при допустимой погрешности е = 10% согласно [113] составляет

В реальных условиях даже при достаточно большом числе Nx внешнее поле может заметно влиять на точность измерений, что связано с нерав­ номерным расположением ЭХ по окружности [113]. В работах [117— 119] предложен способ измерения тока и описаны ИПТ без МПВ, ис­ пользующие автоматическую компенсацию помех с участием самого их источника за счет определенного включения и размещения четного чисда ЭХ вокруг шины с током.

Общим недостатком рассмотренных выше ИПТ на основе ЭХ, сдер­ живающим их использование в гибких РЗ, является то, что их входной сигнал представлен в аналоговой форме и несет информацию только о контролируемом токе. Это означает, что для сопряжения таких ИПТ с устройствами цифровых РЗ требуются сложные аналого-цифровые пре­

206

образователи и преобразователи ток-производная тока при необходи­ мости использования производной тока в качестве информативного па­ раметра, например в прогнозирующих РЗ. В то же время такие качест­ ва ЭХ, как простота, надежность, линейность зависимости UX(B), безынерционность, практически неограниченный срок службы и, наконец, возможность создания на их основе бесконтактных ИПТ, способных из­ мерять как постоянный, так и переменный ток в широком частотном и динамическом диапазонах, привлекают внимание к ЭХ как к перспек­ тивной элементной базе для ИПТ и стимулируют поиск путей создания ИПТ для гибких РЗ с их использованием. Некоторые результаты таких исследований приведены в §6.5.

6.5. МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ИПТ

Повышение требований к характеристикам устройств РЗ, и прежде всего к их быстродействию, заставляет искать новые принципы постро­ ения ИПТ. В частности, ИПТ, используемые в прогнозирующих защитах, должны осуществлять преобразование не только тока, но и его произ­ водной, а широкое внедрение ВТ в качестве основной базы для РЗ но­ вого поколения выдвигает требование цифрового представления инфор­ мации на выходе ИПТ. В то же время опыт показывает, что переход на цифровую форму обработки информации произойдет не сразу, поэтому в течение длительного периода времени аналоговая и цифровая формы обработки информации, по-видимому, будут использоваться в РЗ в рав­ ной степени. В связи с этим представляет интерес исследование возмож­ ности построения многофункциональных ИПТ, обеспечивающих измере­ ние постоянного и переменного тока, первой и второй его производной, и имеющих аналоговый, цифровой и частотный выходы. Использование таких ИПТ в гибких РЗ с перестраиваемой архитектурой особенно эф­ фективно, так как простая перекоммутация выходов ИПТ обеспечивает возможность формирования структур РЗ, основанных на различных принципах выявления повреждений и реализованных как на аналоговой, так и на цифровой элементной базе.

Ниже описаны принципы построения и схемная реализация одного из вариантов многофункционального аналого-цифрового ИПТ, возможно­ сти которого показаны на рис. 6.10. Действие ИПТ основано на сочета­ нии компенсационного способа измерения [120] электрических вели­ чин и принципа двухпозиционного регулирования. Как известно, ком­ пенсационный способ [120, 121] предусматривает контролирование в МПВ магнитного потока, образованного измеряемым током, и фор­ мирование направленного встречно ему компенсирующего магнитно­ го потока. Схемно это осуществляется с помощью цепи обратной связи, содержащей усилитель сигнала ИП магнитного потока и нанесенную на МПВ компенсационную обмотку. Об измеряемом токе судят по току в цепи обратной связи, который изменяется пропорционально измеряемо-

207

Рис. 6.10. Функциональные возможности универсального ИПТ

му току. В качестве ИП могут использоваться как гальваномагнитные преобразователи, например ЭХ [121], так и измерительная обмотка, нанесенная на МПВ [120]. В последнем случае при применении стально­ го МПВ ИПТ может использоваться для измерения только переменного тока, а при использовании МПВ из МДЭ - для измерения не только пере­ менного, но и постоянного тока в переходном режиме (при КЗ) .

Применение традиционного компенсационного способа измерения позволяет уменьшить габариты стального МПВ без опасности его насы­ щения измеряемым током благодаря тому, что результирующий маг­ нитный поток от суммарного действия измеряемого и компенсирующе­ го токов составляет 1-10% магнитного потока, создаваемого только измеряемым током. Другими словами, компенсирующий магнитный поток всегда стремится переместить рабочую точку на кривой намагни­ чивания магнитопровода в область нулевой магнитной индукции. Недо­ статком описанного компенсационного способа измерения тока является то, что он требует пропорционального роста тока в цепи усилителя с ростом измеряемого тока, при этом увеличивается необходимая мощ­ ность усилителя в цепи обратной связи. Так, в известных конструкциях для измерения токов порядка нескольких десятков килоампер мощ­ ность усилителя должна быть настолько большой (сотни ватт), что его практическая реализация становится весьма затруднительной.

Устранить отмеченный недостаток можно, объединив компенсацион­ ный принцип измерения с принципом прерывистого (двухпозиционно­ го) регулирования. В ИПТ, реализующем оба эти принципа [122], также используется компенсация магнитного потока от измеряемого тока, но кроме того, осуществляется контроль полярности результирующего магнитного потока, образованного магнитным потоком от измеряемого тока и компенсирующим магнитным потоком. Затем осуществляется принудительное изменение направления компенсирующего магнитного потока относительно магнитного потока от измеряемого тока через за­ данный интервал времени после каждого изменения полярности резуль­

208

тирующего магнитного потока. После этого отфильтровывают высоко­ частотную составляющую электрического тока, создающего в МПВ магнитный поток (при данном способе измерения высокочастотная составляющая не используется), а по низкочастотной составляющей этого тока судят об измеряемом ИПТ токе.

При данном способе измерения удается резко снизить необходимую мощность усилителя обратной связи благодаря импульсно-прерывисто­ му отслеживанию результирующего магнитного потока в МПВ в отли­ чие от непрерывного его отслеживания при использовании традиционно­ го компенсационного способа измерения. Однако такой ИПТ позволяет получить информацию только о значении измеряемого тока (постоянно­ го и переменного) и только в аналоговой форме, в то время как (и это отмечалось выше) в системах РЗ начал широко использоваться такой информативный параметр, как первая производная тока (перспектив­ но также использование второй производной тока), причем наряду с аналоговой необходима и цифровая форма представления информации. Удовлетворить эти требования можно, если использовать полезную ин­ формацию, содержащуюся именно в высокочастотной составляющей электрического тока, создающего магнитный поток в МПВ ИПТ, пост­ роенном с использованием компенсационного способа и прерывистого принципа регулирования (отслеживания).

Как показал анализ [41 ], упомянутая высокочастотная составля­ ющая несет в себе информацию о производной измеряемого тока в ана­ логовой форме, в форме частоты и в форме временного интервала. Функциональная схема ИПТ, построенного в соответствии с указанным способом измерения, показана на рис. 6.11, который иллюстрирует про­ исходящие в ИПТ процессы. На схеме рассмотрен случай измерения тока в сети низкого напряжения постоянного тока. Напряжение (шины ”+”

В моменты времени, когда поток Фк , нарастая по экспоненте, достига­ ет и затем несколько превышает по значению (за счет инерционности коммутатора SA) ’’снизу” поток Фх, на выходе нуль-органа изменяет­ ся на противоположную полярность сигнала, срабатывает коммутатор SA и перекоммутирует выводы обмотки wK с шинами сети.

После перекоммутации выводов обмотки wK ток в ней (и соответ­ ственно поток Фк в МПВ) начинает по экспоненте спадать. Как только поток Фк , спадая, достигает по значению поток Фх (но уже ’’сверху”) ,

209

Выход

Рис. 6.11. Функциональная схема универсального ИПТ

осуществляется обратная перекоммутация выводов обмотки н>к , по­ ток Фк опять стремится сравняться с потоком Фх, и процесс повторя­ ется. За счет вполне определенного запаздывания срабатывания комму­ татора SA переключение выводов обмотки \vK происходит не точно в момент равенства потоков Фк и Фх, а через определенное время t K, т.е. уже при превышении потоком Фк потока Фх.

Таким образом, в обмотке wK протекает ток / к , представляющий собой пилообразную кривую высокой (по сравнению с частотой измеря­

оси пилообразной периодической кривой. Это объясняется тем, что на­ пряжение на выходе ЭХ пропорционально разности Ф^; = ФК -Ф Х.С по­ мощью разделительного фильтра Z, включенного на выходе измеритель-

210