Разработка датчика тока для низковольтных комплектных устройств

Разработка датчика тока для низковольтных комплектных устройств

В этой статье мы разрабатываем небольшой датчик тока для интеграции в готовое изделие напряжением 0,4 кВ и анализируем влияние внешнего магнитного поля на его работу.

Авторы публикации

Рубрика

Физика

Журнал

Журнал «Научный лидер» выпуск # 7 (52), февраль ‘22

Дата публицакии 11.02.2022

Поделиться

С увеличением выработки электроэнергии на низковольтных электростанциях возникает необходимость в разработке преобразователей тока для блоков питания 0,4 кВ, особенно в распределенных сетях выработки электроэнергии для альтернативных энергосистем. Поэтому для установок с напряжением в несколько мегавольт или 0,4 кВ ток короткого замыкания, протекающий через шины современных распределительных устройств, может превышать 10 килоампер. Чтобы предотвратить повреждение выключателей и свести к минимуму образование тока короткого замыкания, реле отключения требуют абсолютной селективности и максимально возможной скорости отклика. В существующих низковольтных корпусах (LPS) расстояние между шинами составляет несколько сантиметров. В результате могут быть спроектированы и исследованы небольшие подключаемые преобразователи тока с незначительными погрешностями и линейными характеристиками в широком диапазоне изменений первичного тока. Предлагается спроектировать преобразователь тока, состоящий из U-образного сердечника, изготовленного из электротехнической стальной пластины, и 2 обмоток, размещенных на вертикальном стержне сердечника и соединенных последовательно для установки на шине узла переключателей и механизмов управления. В эксперименте был изготовлен трансформаторный реактор разворотного типа с числом витков Wlew=Райт=1000В. Размеры преобразователя и расположение шинопровода показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема датчика тока транзисреатора

  

Преобразователь тока, выполненный таким образом, находится под воздействием внешнего магнитного поля, что выражается появлением возмущений на выходе обмотки, что приводит к неисправности защитного устройства. Чтобы рассчитать значение выходного сигнала, необходимо описать магнитное поле вокруг шины. Самым сложным в таких расчетах является определение магнитосопротивления отдельных компонентов, составляющих схему. Аппроксимация нелинейной характеристической кривой приводит к значительным ошибкам в расчете. Поэтому более целесообразно определять выходной сигнал с помощью физического моделирования магнитного поля вблизи шины. Чтобы упростить вычисление коэффициента, предположим, что магнитное поле H в пространстве вокруг проводника, проводящего ток, параллельно плоскости, а коэффициент проницаемости сердечника бесконечен. Эти диски соединены медными заклепками по их внешней периферии, как показано на рисунке 2.

Рис.2 – Принципиальная схема физической модели магнитного поля Плоскопараллельное магнитное поле выражается функцией потока V(M),

Шина с током может быть заменена точечным источником с некоторыми ошибками, так что функция потока имеет логарифмическую специфику вблизи этой точки   ;

Поле модели описывается й функцией потенциала U(M).

В точке, где проводник подключен к модели, разность потенциалов будет иметь те же характеристики, что и разность потенциалов тока утечки изолированного проводника

где     d  -  толщина проводящего слоя модели.   

Действительно    

о  =  U(М) =  ; 

отсюда ;

Наряду с этим обе функции удовлетворяют одному и тому же граничному условию. Теперь давайте воспользуемся теоремой о сингулярности, согласно которой, если функция записана в одном и том же уравнении и удовлетворяет одним и тем же граничным условиям, то она имеет одно и то же решение. Следовательно, в этом случае функция потока может быть заменена потенциальной функцией. Если мы сравним V(M) и U(M), то соотношение между ними будет следующим: V , то есть V (М) .

Следовательно, найти  V(M) можно по результатам  измерений мод предварительно построив картину эквипотенциальных линий U(M) .        

Измерение величины      производилось следующим образом. Из материала модели толщиной  d была вырезана п тонкая длинная полоска и включена последовательно с моделью к источнику постоянного тока. Затем с помощью двойного щупа, у которого расстояние между щупами   ∆τ равно ширине полоски  m, измерялось напряжение в середине полоски. Можно показать, что это напряжение соответствует величине . Действительно , так как    ∆U =E ∆τ ,  отсюда .

Следовательно, мы имеем .   

Величина потока в трубке по толщине сердечника    определяется, как   Фj = Vj z,    где j - номер силовой трубки, в соответствии с картиной поля. Суммируем потокосцепление катушек датчика

Ψ =  = 

 

где  -  число витков, которое пронизывает поток  j  - той силовой трубки

(определяется как произведение о удельного числа витков на соответствующую часть длины катушки).        e   Электродвижущая сила, индуцируемая в обмотке датчика тока, определяется уравнением       e   To для расчета полезного сигнала достаточно рассчитать коэффициент токовой цепи одной из катушек а, так как линии электропередачи распределены симметрично, и обе катушки находятся в одинаковых условиях. Результаты обобщены в таблице 1.

Таблица 1.  Потокосцепление oднoй катушки

 

Номера трубок  

Vj/i  

Фj10-3/i  

wl  

Ψk/i  

1  

1,054  

52,66  

130  

0,85  

2  

1.185  

59,2  

780  

5,06  

3  

1,137  

65,7  

1000  

19,7  

4  

1,45  

72,4  

  

  

5  

1,58  

78,9  

  

  

6  

1,71  

85,4  

960  

6,34  

7  

1,843  

92  

930  

6,24  

8  

1,984  

98,7  

752  

5,04  

 

2,109  

105,4  

  

  

10  

2,24  

112  

  

  

= 43,23

Для расчета помехи следует вычислять потокосцепления обеих катушек.

Результаты расчета сведены в таблицу 2.                       

    = 5,324;   ра = 2,694

      Суммарный полезный сигнал на выходе датчика тока .   Для расчета помехи от соседней шины вычисляются oтдельнo потокосцепления левой и правой катушек и результат суммируется (с учетом направления эдс). 

Отсюда 

 

Таблица 2 – Потокосцепление двух катушек

Номера трубок  

Vj/i  

Фj10-3/i  

wl  

Ψk/i  

1  

115,7  

76  

0,0532  

  

2  

115  

511  

0,65  

  

3  

113,8  

893  

1,16  

  

4  

112,5  

1000  

3.1  

  

5  

111,2  

  

  

  

6  

110  

  

  

  

7  

109,4  

600  

0,36  

  

8  

108,8  

  

  

  

 

107,6  

1000  

  

  

10  

106  

881  

  

1,4  

 

    Помехоустойчивость датчика тока можно оценить отношением ЭДС помехи к ЭДС полезного сигнала у ε  о 0,032 .

 

Таким образом, значение помехи датчика составляет 3,2% от значения полезного сигнала при том же токе между шиной и соседней шиной.

В экспериментах с использованием макетной модели датчика тока трансформатора значение помехи составило 2,9, что хорошо согласуется с данными, полученными из модели. Таким образом, используя описанный выше метод анализа, становится возможным оценить помехозащищенность датчика тока с достаточной точностью.

Список литературы

  1. Инновации в электроэнергетике: виды, классификации и последствия внедрения // Стратегические решения и управление рисками. - 2019. - № 10(3). - С. 274-283
  2. Современные технологии: актуальные проблемы, достижения и инновации : Доклад Международной научно-практической конференции - Пенза, 2017.- С. 204-2064.
  3. Г.Н.Климова. Энергосистема и сеть являются энергосберегающими. Учебник - М.: Улитэ, 2016.- 180 с.

Предоставляем бесплатную справку о публикации,  препринт статьи — сразу после оплаты.

Прием материалов
c по
Осталось 5 дней до окончания
Размещение электронной версии
Загрузка материалов в elibrary