CC BY
74
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высш. шк., 1991. -496 с.
2. Чернобровое Н.В . Семёнов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат. 1998. - 799 с.
3. Федосеев A.M. Релейная защита электроэнергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1984,-520с.
4. Costa F., Poulichet P., Mazaieyrat F., Laboure E, The current sensor in power electronics, a review. EPE Journal. - 2001, Vol. U P.7- 17.
5. Application notes. Power Electronic Measurements Ltd, September 2002, P. 1-17.
6. Казанский В. E Измерительные преобразователи тока в релейной защте. -М.: Энергоатомиздат, 198В. -288 с.
7. Stoll R.L. Method of measuring alternating current without disturbing the conducting circuit /ЛЕЕ Proc., October 1975, P. 166- 167.
В. Казанский В. E. Трансформаторы тока в устройствах релейной защиты и автоматики: Учеб. пособие для вузов.-М.: Энергия, 1978. - 264 с. ,
Ю.С.Дорошев . Г.Е. Кувшинов , Д.Б. Соловьёв
ПРИМЕНЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИХ ИНДУКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТОКА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ И ЗАШИТЫ ГОРНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ
КОМПЛЕКСОВ
На современных горных предприятиях, особенно на открытых разработках, эксплуатируются высокомеханизированные комплексы. На экскаваторах, горнодобывающих и перерабатывающих комплексах установленная мощность электрооборудования достигает 20 МВт, что сравнимо с крупным промышленным предприятием. Но, в отличие от промышленных предприятий, электрооборудование на горных комплексах, сконцентрировано на небольшой площади, что создает благоприятные предпосылки для их оборудования комплексной защитой [1].
Одним из основных элементов технологических комплексов являются электрические машины, из которых наиболее распространены (свыше 85%) асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (АД). Поэтому надежность и безопасность работы технологического комплекса в большой мере обеспечивается надежностью работы АД. Выход из строя АД приводит к остановке всего комплекса и большому материальному ущербу, связанному с простоем технологических процессов, устранением последствий аварий и ремонтом вышедшего из строя электродвигателя. Стоимость только одного ремонта электродвигателя обходится в 5 - 6 $ США за каждый киловатт мощности [2, 3]. Несмотря на наличие различных защитных устройств, ежегодно в результате аварий выходят из строя до 10% применяемых электродвигателей. Аварии АД подразделяются на два основных типа: механические и электрические, которые мотуг быть причиной друг друга. На долю механических приходится до 15% ог всех аварий. Из электрических причин на долю аварий сетевого происхождения напрямую или косвенно приходится до 80% аварий.
Коммутационные аппараты АД снабжены исполнительными устройствами общепромышленных видов защит (от перегрузок, коротких замыканий, однофазных замыканий), которые в ряде случаев не способны реагировать на несимметричные (в частности, неполнофазные) режимы работы. В то же время анализ причин выхода из строя электродвигателей показывает, что из-за неполнофазного режима в энергосистемах выходит из строя около 20% двигателей, а в горной промышленности этот показатель возрастает до 30 (а по некоторым данным до 50) процентов.
Промышленностью выпускаются защитные устройства от несимметричных режимов работы на пассивных и активных элементах, однако их установка регламентирована ПУЭ лишь в порядке исключения для АД, защищенных предохранителями и не имеющих защиты от перегрузки, если
двухфазный режим ведет к выходу АД из строя с особо тяжкими последствиями. Это ограничение обусловлено экономической нецелесообразностью установки защиты, по стоимости сравнимой со стоимостью самого АД. Кроме того, все эти защиты имеют существенный недостаток - отсутствие самоконтроля исправности.
Одним из основных элементов фильтровой защиты (защитного устройства от неполнофазных режимов работы) является чувствительный элемент - фильтр напряжения или тока обратной последовательности. Схемы защиты с применением фильтров тока или напряжения симметричных составляющих, по сравнению с простыми токовыми защитами, имеют то преимущество, что они реагируют не только на количественные изменения электрических параметров защищаемой установки, но и на их качественные изменения. Поэтому, при использовании такой защиты в сетях с малыми кратностями токов короткого замыкания, защита получается со значительно лучшими показателями по чувствительности, чем при простых токовых защитах. Но только защиты с использованием фильтров тока имеют большое преимущество в связи с их нетребовательностью к тщательной настройке, надежностью срабатывания при различных анормальных режимах работы. Однако необходимость измерения тока у каждого АД технологического комплекса сводит на нет использование таких защит. Препятствием расширенного применения защиты с использованием фильтров тока являются существенные недостатки трансформаторов тока (ТТ) - высокие значения массы, размеров и стоимости этих измерительных преобразователей тока (ИПТ).
Потребляемый электрической машиной ток является очень информативной физической величиной, позволяющей определять все дефекты как самой машины, так и связанных с ней вращающихся узлов трансмиссии. В частности, спектральный анализ потребляемого тока позволяет диагностировать наличие и степень развития следующих дефектов: повреждений обмоток ротора и статора; несимметрию и нелинейные искажения напряжения питания; статический и динамический эксцентриситет зазора; неуравновешенность ротора; до 10 различных дефектов подшипников; бой вала (муфты); дефекты узлов крепления; дефекты зубчатого зацепления (перекос, износ, поломка зубьев шестерён). При такой постановке вопроса защитные устройства приобретают новые, не свойственные им, функции диагностики и поднимаются на более высокую ступень развития. Однако реализация поставленных требований затрудняется отсутствием выпускаемых промышленностью простых, надежных и дешевых ИПТ, которые могли бы заменить громоздкие и неудобные в эксплуатации ТТ.
Следует отметить, что на практике одним из наиболее важных условий широкого внедрения защитных устройств является возможность их подключения без изменения существующих схем управления. Попытка установить на работающем оборудовании защитные устройства, для которых требуются ТТ, заранее обречена на неудачу. Во-первых, для дополнительного ТТ просто не предусмотрено места. Во-вторых, закупать ТТ в нужном количестве (в два раза больше числа установленного оборудования) экономически нецелесообразно.
Таким образом, имеется необходимость в создании комплексных, многофункциональных защит и диагностических систем, одним из основных элементов которых являются ИПТ, свободные от указанных недостатков ТТ.
При выборе ИПТ и разработке их новых разновидностей необходимо учитывать перечисленные ниже требования, особенности и условия [4].
1. Воспроизведение (в масштабе) измеряемого тока с необходимой точностью, нечувствительность к электромагнитным и электростатическим процессам во внешних контурах и объёмах, стабильность работы в определённых физических условиях.
2. ИПТ являют собой сочетание первичного измерительного преобразователя того или иного типа, преобразующего значения тока в удобные значения другой физической величины, и вторичного преобразователя, усиливающего, показывающего, регистрирующего, интегрирующего и т.п.
3. Необходима гальваническая развязка токопровода и цепи ИПТ.
4. Из-за невозможности или нежелательности разъединения токопроводов первичные ИПТ или устанавливаются стационарно, что делает невозможным или трудоёмким их поверку или замену, или они должны быть разборными.
5. Отличие формы тока от синусоидальной может вызывать появление дополнительных погрешностей измерения.
6. Зачастую требуется повышенная точность измерения. Так, если для контроля режимов приемлема погрешность измерения 1,5-4 %, при испытаниях аппаратуры - 0,5 - 1,5 %, то в исследовательских системах 0,2 - 0,3 % и менее.
7. Особенности ряда установок (малогабаритных, переносных) ограничивают массогабаритные показатели ИПТ. а они у большинства ИЛТ растут с увеличением номинального измеряемого тока.
8. В трёхфазных цепях значительно влияние на первичный ИПТ токов соседних фаз.
Указанным требованиям и особенностям удовлетворяют дифференцирующие индукционные
преобразователи тока (ДИПТ), которые относятся к одному с ТТ классу измерительных преобразователей - трансформаторным ИПТ. И те, и другие преобразователи имеют катушку (вторичную обмотку), которая индуктивно связана с токолроводом, по которому проходит измеряемый ток. В этой катушке наводится ЭДС, пропорциональная производной измеряемого тока по времени. Взаимная индуктивность между токопроводом и катушкой играет роль дифференциатора тока [4-10].
ТТ и ДИПТ различаются режимом работы. ТТ работает в режиме, близком к идеальному короткому замыканию: действующее значение его выходного напряжения много меньше действующего значения ЭДС. ДИПТ, напротив, работает в режиме, близком к идеальному холостому ходу, так как его катушка подключается к высокоомному входу операционного усилителя или аналого-цифрового преобразователя. Поэтому действующее значение выходного напряжения ДИПТ практически равно действующему значению его ЭДС (при одинаковом выходном напряжении она в несколько раз меньше ЭДС ТТ). Так как ток катушки ДИПТ в сотни и более раз меньше тока вторичной обмотки ТТ, то масса ДИПТ, которая определяется произведением расчётной ЭДС на расчётный ток катушки, в сравнении с массой ТТ, является ничтожной, даже для ДИПТ, не имеющих ферромагнитного сердечника. Замена такого сердечника каркасом из полимерного изоляционного материала обеспечивает дополнительные преимущества ДИПТ над ТТ: характеристики ДИПТ становятся линейными, а его погрешности измерения снижаются. Причина последнего преимущества заключается в отсутствии погрешностей, обусловленных гистерезисом и вихревыми токами в ферромагнитном сердечнике, а также огромной погрешности, возникающей при насыщении такого сердечника.
В ДВГТУ выполнен большой объём исследований, направленных на разработку ДИПТ трёх различных типов. Первый тип - ДИПТ для измерения больших токов в цепях с напряжением до 1000 В [4]. Предлагается катушку ДИПТ, высота которой равна ширине шины с измеряемым током, помещать вместе с прокладкой в виде тонкой изоляционной пластины на эту шину, Разработаны методики, позволяющие найти оптимальную, по расходу обмоточного провода, форму витка катушки и рассчитать число её витков. Близость катушки к шине с измеряемым током и во много раз большие расстояния до токопроводов с мешающими токами, обеспечивают минимальную погрешность измерения.
Второй тип - это ДИПТ для измерения токов в цепях высокого напряжения [8]. Обмотку его удобно, для упрощения технологии сборки ДТПТ, выполнить секционированной, составленной из одинаковых элементарных цилиндрических катушек, насаженных на гибкий каркас с круглым поперечным сечением и разделённых одинаковыми зазорами. Для обеспечения надежности работы и лёгкой доступности при обслуживании, ДИПТ следует размещать на вводах в это оборудование в области, непосредственно примыкающей к корпусу трансформатора или выключателя. Для достижения защищенности от мешающих магнитных полей предлагается обмотку ДИПТ выполнять с чётным числом слоев, причём ЭДС каждого слоя, индуцируемые измеряемым током, складываются, а ЭДС нечётных и чётных слоев, индуцируемые мешающими магнитными полями, проходящими через окно катушки, вычитаются.
Третий тип - это ДИПТ для измерения токов в распределительных щитах судовых электроэнергетических систем с напряжением до 1000 В [9]. Для сокращения размеров и массы и повышения помехозащищённости эти ДИПТ имеют разборный ферромагнитный сердечник, охватывающий шину с измеряемым током. Проявление недостатков, обусловленных наличием указанного сердечника, снижено благодаря введению немагнитных зазоров в сердечник. Такие ДИПТ известны в отечественной электротехнической литературе под названием «трансреакторы» [5, 10].
Все три перечисленных типа ДИПТ имеют существенные конструктивные отличия от ДИПТ, выпускаемых фирмами ТЕМ и РЕМ и широко известных под названием «катушки Роговского» [6, 7].
Миниатюрные, не требующие разборки токопровода с измеряемым током, выполненные на гибком разъёмном каркасе, эти измерительные преобразователи успешно вытесняют TT при проведении экспериментальных исследований и выполнении диагностики различного электрооборудования низкого напряжения.
Так как выходное напряжение ДИПТ пропорционально не самому измеряемому току, а его производной, то для восстановления формы тока ДИПТ дополняют интегратором. В качестве интегратора служит специальный аналоговый или цифровой фильтр, подключённый к зажимам вторичной обмотки ДИПТ [4-7].
Как показали выполненные в ДВГТУ исследования, в том числе и экспериментальные, в системах автоматического управления синхронными генераторами и в релейной защите возможно применение ДИПТ без интегрирующих фильтров [9., 11 - 13]. Близкий подход возможен и при решении рассматриваемой проблемы - разработка устройств для комплексной защиты и диагностики электротехнических комплексов, в состав которых входят АД. Вместо интегрирующих фильтров нужно использовать новые, ещё не существующие, аналоговые или цифровые фильтры, аналогичные по свойствам фильтрам тока обратной последовательности. Кроме таких фильтров к катушкам ДИПТ следует подключить входы микропроцессора. Программа микропроцессора реализует диагностические операции и осуществляет контроль наличия и степени развития дефектов в элементах электротехнического комплекса.
На основании опыта, полученного при выполнении научных исследований по разработке систем автоматического управления, электрических защит и диагностических устройств, в том числе с применением ДИПТ, авторы выражают уверенность в возможном скором" разрешении рассмотренной проблемы.
v . , , ЛИТЕРАТУРА
i
12. Патент RU 2258291. / Многоканальное защитное устройство от анормальных режимов работы трехфазных электроустановок. / Дорошев Ю.С., Соловьев Д.Б., Карпушенко В.Б. -Бюл. 2005, № 22.
13. Соркинд М. Универсальная защита для асинхронного электродвигателя: миф или реальность? // Электроцех, апрель 2007. - С. 31 - 36.
14. Соркинд М. Универсальная защита для асинхронного электродвигателя: миф или реальность? II Электроцех, май 2007. - С. 36 - 46.
15. Белов А. Г. Синтез измерительных преобразователей переменного тока для силовых преобразовательных устройств. Дис. канд. техн. наук. - М.: ВНТИЩ, № 0015141, 2000.
16. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высшая школа, 1991.-496 с. , fVr , ,
17. D. W. Shepard, D. W. Yuach. An overview of Rogowski coil current sensing technology. Report.pdf. -13 p.
18. W. F. Ray и С. R. Hewson. Practical Aspects of Rogowski Current Transducer Performance. РЕМ paper PCIM 2001 .pdf - 6 p.
19. Богодайко И.А., Кувшинов Т.Е. Применение дифференцирующих измерительных преобразователей тока в программной защите трансформаторов // Перспективные технологии автоматизации: Тез. докл. междунар. электронной науч.-техн. конф. - Вологда: ВоГТУ, 1999. - С. 91.
20. Мазалева H.H. Усовершенствование устройств распределения реактивных нагрузок судовых синхронных генераторов: Дис. канд. техн. наук. - Владивосток". ДВГТУ, 2006 г. - 275 с.
21. Казанский В. Е. Измерительные преобразователи тока в релейной защите. -М.: Энергоатомиздат, 1988. - 288 с.
22. Патент RLI 2239224. / Устройство токовой стабилизации источника напряжения. / Кувшинов Г. Е., Мазалева Н. Н. - Бюл. 2004, №30.
23. Полезная модель к патенту RU 46116 U1 / Устройство токовой стабилизации трехфазного источника напряжения./ Кувшинов Г. Е., Мазалева Н. Н., Горбенко Ю.М., Кирюха В.В. - Бюл. 2005, № 16.
24. Патент RU 2281543. / Устройство для равномерного распределения реактивной мощности. / Кувшинов Г. Е., Мазалева Н. Н. - Бюл. 2006, № 22.
