Чувствительная защита от замыканий на землю на ТТНП с герконом Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

УДК 621.316.925.1 К. И. НИКИТИН

А. Н. НОВОЖИЛОВ Д. А. КУДАБАЕВ Т. А. НОВОЖИЛОВ О. А. СИДОРОВ

Омский государственный технический университет

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова, Республика Казахстан

Омский государственный университет путей сообщения

ЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ ЗАЩИТА ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ НА ТТНП С ГЕРКОНОМ_______________________________________

В данной статье описываются создание защиты от однофазного замыкания на землю в кабельных сетях с изолированной нейтралью и способ удешевления данной защиты. В них используют трансформаторы тока нулевой последовательности типа ТЗЛ или ТЗРЛ и чувствительный реагирующий орган. Как правило, это специальное и довольно дорогое реле. Снижение стоимости защиты от однофазного замыкания на землю осуществить можно, если в защите реле заменить магнитным выключателем. Ключевые слова: защита от замыканий на землю, геркон, трансформатор нулевой последовательности, постоянный магнит.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения соглашения № 14S37.21.0332 от 27 июля 2012 г.

Обычно в качестве защиты от однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в кабельных сетях с изолированной нейтралью используют трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП) типа ТЗЛ или ТЗРЛ и чувствительный реагирующий орган. Как правило, это специальное и довольно дорогое реле. Снизить цену защиты от ОЗЗ можно, если ТТНП с таким реле заменить на ТТНП с герконом [1, 2].

Конструкция ТТНП с герконом [2] приведена на рис. 1. Ее основой является кольцеобразный ферромагнитный магнитопровод 1 с поперечным воздушным зазором 2, перпендикулярным ему тангенциальным сквозным отверстием 3 и радиальным несквозным отверстием 4, ось 5 вращения которого проходит вдоль середины поперечного зазора. В тангенциальном отверстии закрепляют геркон 6 так, чтобы воздушный зазор его контактов совпадал с серединой поперечного зазора 2. В радиальном отверстии на винте 7 устанавливается постоянный магнит 8, который можно поворачивать на угол у вокруг оси 5 на винте 7 и перемещать вдоль нее. Шкала 9 с делениями прикрепляется к стойке 10, а стрелка 11 — к винту 7. Эти элементы конструкции служат для оценки угла у поворота постоянного магнита 5 по отношению к продольной оси геркона 6. Контакты геркона 4 подключают к цепи отключения выключателя.

В кабельной сети с изолированной нейтралью всегда [3]

Гд + & в+ & с=&к,

где Гд, Гв и & с — токи в проводниках фаз кабеля; Гк — ток ОЗЗ.

Рис. 1. Устройство защиты от ОЗЗ на трансформаторе тока ТЗЛ-10 с герконом

Для удобства рассмотрения работы такого устройства защиты три проводника фаз кабеля с токами 1д, 1в и 1с заменяются одним в центре окна ТТНП с током 1к. В результате напряженность магнитного поля Нг в воздушном зазоре геркона будет складываться из напряженности магнитного поля Нк от проводника с током 1к и напряженности магнитного поля Нп постоянного магнита. Причем в произвольный момент времени первая зависит от мгновенного значения 1к, а вторая в соответствии с рис. 2 от угла у поворота магнита. С учетом этого

Н =Н +Н =Н ^іпіМ + Н .сову,

г к м тк тк 1 '

(1)

где Н

т

амплитудное значение напряженности

магнитного поля в воздушном зазоре геркона от

тока I; Н — напряженность магнитного поля

к тм ґ

постоянного магнита на его продольной оси.

Известно, что напряженность магнитного поля срабатывания Нср и возврата Нвоз герконов даже в одной выпускаемой партии колеблется в довольно широких пределах. При реализации устройства защиты эти параметры контролируются по токам I и I в катушке геркона с числом витков w , диа-

ср воз •' 1 кг' ^

метром <Зкг и длиной Икг в момент замыкания и размыкания контактов геркона. По этим данным с учетом рис. 3 и [4 — 6] на оси катушки напряженность магнитного поля срабатывания геркона

-*кг V Г1

Г2

(2)

где с учетом рис. 3 Г1 = їКг /2)2 + х2

и Г2 =^(<Ікг / 2)2 + (ИКг - х)2 .

Так как воздушный зазор геркона приходится на середину катушки, а этому соответствует х = Икг/2

Н,А Енг 1500 0

-V - і

5' г Iі- И

К мм

•- f

—(■ }

1

, х _ VI СІкг

« ІІКЕ ^

и г1 = г2 = , то напряженность

магнитного поля срабатывания и возврата геркона Н »1 ■от Л\ и Н »1 w /г1. (3)

ср ср кг 1 воз воз кг 1 % 1

При этом коэффициент возврата геркона к =Н / Н =1 /I .

воз воз / ср воз ср

Для определения параметров герконов защиты использовалась катушка, у которой wкг=66 вит, И =0,062 м и <3 =0,01 м. В процессе экспериментов

кг кг

выяснилось, что контакты используемого в защите геркона КЭМ-5 замыкались и размыкались при токах 2,7 А и 1,76 А. Что соответствует напряженности магнитного поля 2838 А/м и 1847 А/м. Распределение напряженности магнитного поля катушки вдоль магнитной системы в момент замыкания этого геркона приведено на рис. 3. При этом коэффициент возврата к =0,65.

воз

Для КЭМ-2 при той же катушке и токе I кг= 1,289 А напряженность магнитного поля срабатывания составила Нс =1355 А/м при коэффициенте возврата к =0,54.СР

воз

В соответствии с законом полного тока по [7, 8] для кольцеобразного ферромагнитного сердечника с воздушным зазором величиной 8 напряженность Нк5 магнитного поля в этом зазоре от тока 1к определяется из уравнения

1к = Н88 + Н 1, (4)

к к8 ср с1 х 1

где 1 =2пЯ —8; Н — напряженность магнитного

П с ср ' ср 1

поля в магнитопроводе; Я — радиус среднего листа кольцеобразного сердечника.

С учетом принципа неразрывности магнитного потока в замкнутой магнитной цепи соотношение напряженности магнитного поля в сердечнике и

Рис. 3. Распределение напряженности магнитного поля катушки вдоль оси геркона КЭМ-5

зазоре может быть представлено как Нср= Н^ /ц^ В результате

Ik=Нks(8+1c/mc),

где тс — магнитная проницаемость стали.

Так как для изготовления сердечников трансформаторов тока идет трансформаторная сталь с высоким значением тс, то вторым слагаемым в (4) можно пренебречь. Поэтому при наличие поперечного воздушного зазора

Ік = Нк 88 или Нк§ = V8.

(5)

Однако воздушный зазор в сердечнике защиты от ОЗК не является равномерным из-за наличия радиального несквозного отверстия и постоянного магнита в нем. Рассчитать эквивалентную величину такого воздушного зазора достаточно сложно. Проще его определить экспериментально. Для этого постоянный магнит устанавливается на угол у = 90° и в проводнике, имитирующем ток ОЗЗ, определяется ток 1к , при котором контакты геркона замкнутся. Тогда по (5)

8 =Ік /Н , а Н = I /8 .

экв к,ср ср' тк ср экв

(6)

Экспе иментальная п ове ка уст ойства защиты на гер коне КЭМ-2 и КЭМ-5 пр и у = 90° показала, что их ток I составляет 23,4А и 49А. Следовательно, эквивалентный зазор кольцеобразного сердечника защиты будет равен 8экв = 0,01727 м.

Напряженность Н магнитного поля постоянного

1 тм

магнита для разработанного устройства подбирается и устанавливается опытным путем. Она должна быть такой, чтобы в устройстве защиты срабатывание геркона происходило только при у = 0° и Iк = 0 А. Так как параметры используемых герконов различны, то этого можно добиться увеличением расстояния между герконом и постоянным магнитом с помощью регулировочных прокладок.

Чувствительность устройства защиты от ОЗЗ определяется величиной тока I к, который приведет к срабатыванию защиты. Ее при фиксированном

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (15 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

Рис. 4. Напряженность магнитного поля в воздушном зазоре геркона

Рис. 5. Осциллограммы режимов работы защиты при ОЗК и КЗ

положении постоянного магнита, находят по графикам на рис. 4. Эти графики строят следующим образом. По условиям подбора элементов устройства защиты при у = 0° и ток I к должен равняться нулю. Эта точка на графиках обозначена А. При у = 90° ток определенный экспериментально 1к для герконов КЭМ-2 и КЭМ-5 составляет 23,4 А и 49 А. Эта точка на графиках обозначена В. Так как по (1) принято, что, Н =Н 'cosy, то теоретическая зависимость

' к тм * ' г

I =f(y) должна соответствовать утолщенной линии на этих рисунках. Точками на них показаны результаты эксперимента. Как считают авторы расхождение между экспериментальными и полученными расчетным путем значениями тока 1к вызвано в основном изменением эквивалентного зазора кольцеобразного сердечника защиты при повороте магнита. Его можно значительно уменьшить за счет использования постоянного магнита круглой формы.

Предлагаемое устройство защиты способно обеспечить достаточно высокую чувствительность к ОЗЗ. Так, по рис. 4 а при установке уср, равного примерно 9° на ТТНП с герконом КЭМ-2 ток срабатывания защиты 1кср составит около одного ампера.

Такая конструкция ТТНП с герконом позволяет для практически любого заданного значения тока ОЗЗ отстроить защиту так, чтобы контакты геркона после ОЗЗ могли вернуться в исходное положение или остались замкнутыми. В последнем случае не требуется дополнительных устройств в виде расширителя импульсов, а возврат контактов геркона в исходное положение осуществляется поворотом магнита в сторону увеличения угла у.

Действительно, если при настройке устройства установить

Н >Н ,

воз м

то контакты геркона вернутся в исходное положение после отключения ОЗЗ. Однако для обеспечения надежной его работы потребуется расширитель импульсов. Что, несомненно, приведет к удорожанию конструкции защиты.

Если же при настройке устройства выставить

Н <Н <Н ,

воз м ср

то контакты геркона после отключения ОЗЗ останутся замкнутыми.

Результаты экспериментальных исследований ТТНП с герконом КЭМ-5 представлены на рис. 5 в виде осциллограмм тока ^ в цепи контактов геркона и тока !С фазы С асинхронного двигателя в сети с изолированной нейтралью и током ОЗЗ !к= 1,6 А. Из рис. 5а видно, что при пуске, нагрузке и ОЗЗ путем замыкания вывода обмотки фазы С статора асинхронного двигателя АО-31-4 устройство защиты работает правильно. На рис. 5б показаны режимы пуска, нагрузки АО-31-4 и междуфазного замыкания на его выводах через ограничительное сопротивление. Устройство защиты также работает верно.

Заключение. Как показал опыт эксплуатации устройства защиты на ТТНП с герконом в лабораторных условиях, основным недостатком этого устройства является сложность выставления порога срабатывания при малых углах у. Это вызвано неточностью изготовления отверстий в слоеном магнито-проводе и, как следствие, возникновением люфта в механизме креплении и поворота постоянного магнита. При этом устройство надежно срабатывало при

токах ОЗЗ порядка 0,5 — 0,7 А. Изготовление ТТНП с герконом на производстве и замена в нем постоянного магнита прямоугольной формы на круглую, несомненно, приведет к улучшению характеристик этого устройства.

Библиографический список

1. Инновац. пат. 25699 Республика Казахстан, Н02Н 7/06; 7/08. Устройство защиты электроустановки от однофазного замыкания / Новожилов А. Н., Кудабаев Д. А., Колесников Е. Н., Черных В. А. ; заявитель и патентообладатель Павлодар. гос. ун-т им. С. Торайгырова ; опубл. 16.04.2012, Бюл. № 12.

2. Инновац. пат. 25897 Республика Казахстан, Н02Н 7/06; 7/08. Устройство защиты электроустановки от однофазного замыкания / Новожилов А Н., Колесников Е. Н., Кудабаев Д. А. ; заявитель и патентообладатель Павлодар. гос. ун-т им. С. То-райгырова ; опубл. 16.07.2012, Бюл. № 7.

3. Моделирования токов замыкания на землю обмотки статора асинхронного двигателя в сети с изолированной нейтралью / А Н. Новожилов [и др.] // Электротехника. — 2013. — № 1. - С. 84-87.

4. Новожилов, А. Н. Применение герконов для защиты асинхронных двигателей от витковых замыканий / А. Н. Новожилов // Электричество. — 1990. — № 2. — С. 50-55.

5. Способ защиты обмотки ротора синхронного генератора от витковых замыканий на двух индукционных преобразователях / А Н. Новожилов [и др.] // Электричество. — 2010. — № 8. — С. 65 — 67.

6. Фильтр тока обратной последовательности на герконе для электроустановок с горизонтальным расположением токо-проводов / В. Н. Горюнов [ и др.] // Омский научный вестник. — 2012. — № 1 (107). — С. 202 — 204.

7. Бессонов, Л. А Теоретические основы электротехники / Л. А. Бессонов. — М. : Высшая школа, 1967. — 77S с.

8. Андреев, Ю. А. Преобразователи тока для измерений без разрыва цепи / Ю. А. Андреев, Г. В. Абрамзон. — Л. : Энергия, 1979. — 143 с.

НИКИТИН Константин Иванович, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

НОВОЖИЛОВ Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор (Казахстан), профессор кафедры «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова (ПГУ).

КУДАБАЕВ Даурен Амантаевич, докторант РИЭ «Автоматизация и управление» ПГУ.

НОВОЖИЛОВ Тимофей Александрович, младший научный сотрудник научно-исследовательской части, инженер кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ОмГТУ.

СИДОРОВ Олег Алексеевич, доктор технических наук, профессор (Россия), академик Петровской академии наук и искусств, член-корреспондент Российской академии электротехнических наук, заведующий кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транспорта» Омского государственного университета путей сообщения.

Адрес для переписки: timokvey@mail.ru

Статья поступила в редакцию 05.03.2013 г.

© К. И. Никитин, А Н. Новожилов, Д. А Кудабаев,

Т. А. Новожилов, О. А Сидоров

Информация

Конкурс грантов на поездки в 2013-2014 г.

Civilian Research and Development Foundation (CRDF Global) объявляет конкурс грантов на поездки для грантополучателей CRDF Global

Цели конкурса:

— развитие устойчивых совместных научных связей между российскими и американскими учеными;

— обеспечение российским и американским ученым возможности продолжить работу по проекту;

— поддержка деятельности по распространению результатов проекта.

Данный конкурс финансируется за счет средств, предоставленных Государственным департаментом США. В конкурсе могут принимать участие российские и американские ученые из числа грантополучателей CRDF Global. Гранты размером до $1G GGG USD каждый будут присуждены на поездки, имеющие непосредственное отношение к деятельности по проекту или распространению его результатов.

Окончание приема заявок на конкурс: 3G апреля 2G14 г. GG:GG (североамериканское восточное летнее время (EDT)).

Заявки принимаются на постоянной основе поквартально.

Сроки окончания приема заявок по кварталам:

К1: 1S июля 2G13 г.

К2: 1S октября 2G13 г.

К3: 31 января 2G14 г.

К4: 3G апреля 2G14 г.

Результаты конкурса также будут объявляться по кварталам:

К1: 12 августа 2G13 г.

К2: 11 ноября 2G13 г.

К3: 3 марта 2G14 г.

К4: 3G мая 2G14 г.

Более подробная информация, объявление о конкурсе и документы размещены на сайте CRDF Global.

Источник: http://www.rsci.ru/grants/grant_news/284/234457.php (дата обращения: 11.G6.2G13)

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА