Статистические устройства защиты для низковольтных электрических аппаратов

• Автор: Райнин, Валерий Ефимович
• Шифр специальности: 05.09.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 43 с. : ил.; 20х14 см

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В диссертации, представленной в виде научного доклада, изложены результаты исследований и разработок, выполненных под руководством и непосредственном участии автора за тридцатипятилетний период работы по совершенствованию низковольтной аппаратуры.
Актуальность темы. Значительное повышение уровня автоматизации производственных процессов, рост концентрации установленной мощности современных электроустановок, Широкое внедрение тиристорных преобразователей и регуляторов требуют радикального изменения технических параметров низковольтных аппаратов вообше и автоматических выключателей, как главного средства защиты, в частности. В связи с тем, что ожидаемые токи коротких замыканий возросли до 100 кА и более, проблема повышения качества защиты по экономическим и экологическим причинам приобретает особое значение. Уже в шестидесятые годы стало ясно, что резервы существенного улучшения защитных характеристик выключателей с электромеханическими расцепителями, осуществляющих токовую защиту, исчерпаны.
Техническое несовершенство и ограниченные функциональные возможности электромеханических расцепителей особенно проявились при создании многоступенчатых защит систем электроснабжения собственных нужд атомных и тепловых электростанций, нефтегазового комплекса или судовой энергетики. Поиск путей решения возникшей проблемы V нас в стране и за рубежом привел к использованию возможностей электроники и появлению принципиально новых статических устройств защиты, встраиваемых в низковольтные аппараты. В развитии этого нового направления можно выделить два этапа. Вначале была решена задача создания селективных выключателей в пластмассовой оболочке с высокой коммутационной способностью, уменьшенными временными ступенями токовой защиты и улучшенной координацией с объектом защиты. [Выключатели А3700 (ВНИИ Электроаппарат, СССР), Seltronic (Westinghause, США), AK (General, Electrik, США)]. На этом этапе (при участии соискателя) было выбрано и сформировано направление разработки статических устройств защиты, связанное с нетрадиционным применением трансформаторов тока, когда они используются в насыщающемся режиме и выполняют две функции: контроль тока и электропитание устройства. Второй этап обусловлен решением актуальной проблемы ресурсосбережения и повышением требований к качеству защиты. Он связан с созданием малогабаритных аппаратов и характеризуется полномасштабным применением микроэлектроники. Разработка второго поколения статических устройств, обеспечивающих соответствие мировому уровню отечественных аппаратов потребовали, проведения исследований, в первую очередь, в плане развития принятого "Двойною" применения трансформаторов тока и создания их малогабаритных конструкций.
Теория трансформаторов тока [А.Д. Дроздов. D.U. Казанский, И.М. Сирота, Б.С. Стогний и др.] достаточно полно разработана с точки зрения их применения в качестве средств измерения (при малых индукциях) или в токовых цепях релейной защиты (активно-индуктивная нагрузка), в том числе в режимах глубокого насыщения. Однако имеется существенный пробел, связанный с использованием в качестве информативного параметра амплитуды напряжения на активном сопротивлении во вторичной цепи и применением транс-—форматоров тока в схемах вторичных источников питания. Обоснование новой конструкции -тгторичной' обмотки требует углубления ранее выполненных исследований электрического !н|ля в токоведущих конструкциях с резко переменным сечением (А.Р. Нейман, К.С. Демир-41JH, П.А. Ионкин, В.А. Говорков, К.К. Намитоков), в части детального анализа токорас-гфсдслення и дополнительной мощности потерь в шине с прямоугольными пазами.
. - -I Таким образом, данная работа посвящена важной и актуальной для народного хозяйства проблеме.
• J Цель работы и задачи исследований. Цель работы заключается в создании научно-, технических основ построения статических устройств защиты для низковольтных элекгриче-
„,ских аппара юв, удовлетворяющих современным требованиям, разработке новых техниче--мвх решений и внедрении результатов работы в серийное производство. Для достижения . вставленной цели необходимо решение следующих задач:

• на основе анализа характерных видов повреждений и современных способов защиты низковольтных электроустановок сформулировать требования к датчикам тока;
• разработать теорию датчиков тока на базе насыщающихся трансформаторов тока и предложить методы уменьшения погрешности таких датчиков;
• проанализировать специфические вопросы применения трансформаторов тока в схемах вторичных источников электропитания и предложить способы улучшения их параметров;
• разработать схемотехнические решения по "двойному” применению трансформаторов тока и инженерную методику их расчета;
• с целью выбора рациональной конструкции первичной обмотки трансформатора тока исследовать токораспределение и дополнительную мощность потерь в шине с прямоугольными лазами различной конфигурации;
« разработать структуры, принципы построения и схемотехнику устройств зашиты, реагирующих на различные виды повреждений;
• проанализировать известные принципы построения токоограничивающих выключателей селективного действия и дать предложения по совершенствованию их конструкций;
• экспериментально подтвердить полученные теоретические результаты, а разработанные технические решения и методики расчета использовать при выполнении научно-исслцлппи сельских и опммю-консгрукюрскнх работ и внедрить их в серийное производство.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы методы анализа нелинейных электрических цепей, методы дискретного анализа с применением аппарата решетчатых функций, методы расчета электрических полей на основе теории функций комплексного переменного, численные методы минимизации функций нескольких переменных с применением ЭВМ.
Экспериментальная проверка проводилась методом натурных испытаний и моделированием на электропроводной бумаге.
Основные научные результаты и их новизна.
1. Разработана теория датчиков тока на базе насыщающихся трансформаторов тока с информативным параметром - амплитудой импульса напряжения на измерительном резисторе; предложены и исследованы методы идентификации передаточных характеристик с помощью нелинейных корректирующих цепей; поставлена и решена задача оптимизации их параметров по критерию минимума максимальной погрешности регулирования.
1. На основании анализа установившегося режима работы насыщающегося трансформатора тока на выпрямитель с емкостной реакцией нагрузки с учетом предвключенного сопротивления, получены ранее неизвестные основные энергетические соотношения в токовых блоках питания и обоснована целесообразность насыщающегося режима.
3. Решена задача по определению закона изменения напряжения на конденсаторе при заряде через выпрямитель от насыщающегося трансформатора тока с учетом предвключенного сопротивления и найдена зависимость времени заряда до заданного уровня от первичного тока; впервые выполнена оптимизация параметров токового блока питания по критерию минимума времени накопления энергии при неизменной расчетной мощности трансформатора тока.
4. Разработаны технические решения, защищённые авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, на целый ряд датчиков тока и блоков питания, а также (согласно предложенной классификации схем “двойного” применения трансформаторов тока) - на различные варианты и модификации таких схем, разработаны соответствующие методики расчета.
5. Предложена конструкция первичной обмотки трансформатора тока в виде шины с поперечными пазами (вырезами), позволяющая увеличить зону линейности передаточной характеристики дзтчика тока на номинальные токи свыше 1000 А.
6. Сформулированы и решены задачи расчета электрического поля в шине с одной парой и с произвольным числом пар вырезов с помощью силовой функции электрического поля, получены оригинальные аналитические решения этих задач в виде комплексных

Анализ известных конструкций позволяет выявить общие закономерности в работе токоограничивающих АВ селективного действия и обозначить возможные способы обеспечения селективности. Токоограничивающие выключатели селективного действия срабатывают как бы в две ступени. На первой происходит токоограничение без участия механизма свободного расцепления. При этом анализ места КЗ может производиться в процессе токоо» граничения (назовём его "промежуточным” отключением) или после "промежуточного” отключения. На второй ступени срабатывает механизм свободного расцепления только ближайшего к месту КЗ АВ. При этом используется внешнее или автономное управление. Данные признаки, а также диапазон токов, при которых выполняется токоограничение и селективность в достаточной степени характеризуют способ селективной защиты и могут быть использованы при классификации токоограничивающих АВ селективного действия. Результаты сравнительного анализа и технические возможности вариантов известных и предложенных [98, 100, 109, 114] конструкций токоограничивающих АВ селективного действия согласно данным классификационным признакам приведены в [4].
Предпочтительны, но и наиболее трудны в реализации, конструкции с автономным управлением и анализом места КЗ в процессе токоограничения при обеспечении селективности и токоограничения во всём диапазоне токов. Трудность заключается и в выборе критерия для анализа места КЗ, и в том, что анализ, выработка управляющего сигнала и воздействие на механизм свободного расцепления АВ должны быть сделаны в короткое время - в течении процесса отключения цепи (3-8 мсек). Из-за неопределенности электрических параметров короткого замыкания определить место КЗ по анализу электромагнитных процессов в самом начале развития аварии (до начала токоограничения), повидимому, не представляется возможным. По крайней мере, в такой постановке задача до сих пор не решена. В связи с этим поиск надёжного критерия места КЗ перешёл в плоскость исследования поведения контура КЗ после “промежуточного” отключения или даже в процессе токоограничения.
Анализ испытаний токоограничивающих выключателей серии А3700Б показал, что в качестве критерия можно использовать энергию дуги, выделяющуюся при работе электродинамического токоограничителя. При больших токах КЗ энергия дуги мало меняется с изменением ожидаемого тока и, в то же время, она существенно зависит от числа аппаратов, участвующих в токоограничении. Для измерения энергии дуги предложено использовать эффект Холла [100, 109] или микросхемы аналоговых перемножителей [114, 127], а также появившиеся в последние годы микросхемы время-импульсных перемножителей на дельтасигма модуляторах. При этом для питания целесообразно использовать напряжение токоограничивающей дуги (рис.20).
Другим критерием места КЗ может служить интеграл падения напряжения на резисторах, вводимых в контур КЗ после “промежуточного” отключения [98]. Данный токоогранн-чивающий выключатель выполнен в виде обычного селективного выключателя с токоограничивающим блоком, параллельно контактам которого установлены резисторы (рис. 19). При коротком замыкании после электродинамического разведения контактов токоограничивающего блока и погасании дуги и перед повторным замыканием этих контактов возникает промежуток времени, когда остаточный ток КЗ будет протекать по резисторам и , в основном, определяться ими. Таким образом, возникает качественно новое кратковременное состояние системы, когда критерий места КЗ связан с количеством введённых резисторов, что существенно упрощает распознавание места КЗ. Если выбрать соотношение между резисторами последовательно соединённых АВ обратно пропорциональным номинальным токам АВ, то падение напряжения на резисторе у нижестоящего АВ будет больше, что может быть использовано для анализа места КЗ. Дополнительное интегрирование этого напряжения повышает достоверность критерия. Для обоснованного выбора резисторов необходимо исследовать поведение энергосистемы при вводимых на время анализа активных сопротивлениях с учётом токов подпитки места КЗ электродвигателями и других обстоятельств.