Датчик тока на герконе для релейной защиты Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

3. Лебединский Н. А. Тенденции развития мирового рынка нефти // Социально-экономические науки и гуманитарные исследования. 2016. № 12. С. 18-21.

4. Старкова Н. О., Кохановская Е. А. Проблемы эффективности российского нефтегазового комплекса РФ // Бюллетень науки и практики. 2016. № 10 (11). С. 263-270.

5. Мугалимов Р. И., Мугалимова А. Р. Сравнительная оценка класса энергоэффективности асинхронных двигателей и электротехнических комплексов с их применением // Электротехнические системы и комплексы. 2016. № 4 (33). С. 14-19.

6. Ковалев А. Ю., Ковалев Ю. З., Солодянкин А. С. Электротехнологические установки насосной эксплуатации скважин: моногр. Нижневартовск: Изд-во НГГУ, 2010. 105 с.

7. Татевосян А. А., Мищенко В. С. Моделирование магнитного поля синхронного генератора с постоянными магнитами // Омский научный вестник. 2016. № 4 (148). С. 90-93.

8. Окунеева Н. А., Соломин А. Н., Русаков А. М. Вентильные электродвигатели в составе нефтедобывающего оборудования // Электричество. 2008. № 1. С. 60-65.

9. Руководство пользователя БЬСиТ. СПб.: ПК ТОР, 2016. 292 с.

10. Проектирование электрических машин / Под ред. И. П. Копылова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Юрайт, 2011. 767 с. ISBN 978-5-9916-0904-3.

11. Петренко А. Н., Плюгин В. Е., Петренко Н. Я [и др.]. Разработка синхронного двигателя с постоянными магнитами на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором // Электротехнические и компьютерные системы. 2016. № 22 (98). С. 111-115.

АЫСЕнко олег Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрическая техника».

Адрес для переписки: deolas@mail.ru СИМАков Александр владимирович, магистрант гр. ЭЭм-162 факультета «Элитное образование и магистратура».

Адрес для переписки: simak_off94@mail.ru

Статья поступила в редакцию 07.11.2017 г. © о. а. лысенко, а. в. Симаков

УДК 6213169251 т. А. ноВожИлоВ

Омский государственный технический университет, г. Омск

датчик тока на герконе

для релейной защиты_

Предложена новая конструкция датчика тока на герконе для релейной защиты. Корпус датчика, изготовленный из диэлектрического материала, предназначен для надежной защиты датчика тока от механических и электрических повреждений. Управляющая обмотка при питании ее постоянным или переменным токами дает возможность повысить чувствительность устройства и определять направления измеряемого тока. А измерительная обмотка используется для контроля напряженности и спектра магнитного поля в точке размещения магнитной системы датчика тока от шины защищаемого элемента энергосистемы и в управляющей катушке. Для реализации защит предложены методы определения напряженности магнитного поля срабатывания геркона от токов в шине и катушке управления, а также метод коррекции параметров геркона.

Ключевые слова: датчик тока, корпус датчика тока, геркон, управляющая и измерительные катушки.

введение. Наиболее часто для защиты от коротких замыканий элементов электроэнергетических систем используются токовые защиты. Как правило, для такой защиты требуется датчик тока и реагирующий орган. В максимальной токовой защите их роль выполняют трансформатор тока и токовое реле [1, 2]. Однако реализовать такую защиту удается не всегда.

Это вызвано тем, что часть элементов электроэнергетических систем не имеет трансформаторов тока, а на другие установить трансформаторы тока не представляется возможным из-за конструктивных особенностей как этих элементов, так и трансформаторов тока. Кроме того, размеры, вес и стоимость трансформаторов тока резко возрастает с повышением класса напряжения.

Поэтому в последние годы для решения подобных задач все чаще стали обращаться к датчикам тока в виде геркона с обмоткой [3, 4]. Одним примером может служить защита кабельных линий от ОЗЗ [5]. Другим примером использования такого датчика может служить максимальная токовая защита на герконе МТЗГ [6]. Однако проектирование и реализация таких технических решений затруднены из-за значительного разброса параметров срабатывания и возврата герконов, которые к тому же могут меняться в процессе длительной эксплуатации, а также из-за известных сложностей по определению напряженности магнитного поля срабатывания геркона [7, 8] и места его расположения. Таким образом, в настоящее время не совсем понятно, какую конструкцию должен иметь датчик

а) б) в)

Рис. 1. Датчик тока на герконе для релейной защиты

Таблица 1

Технические характеристики герконов

Параметры КЭМ-1 КЭМ-3

Размеры колбы по стеклу, мм 05,4x52 0 3,0x20

Полная длина ¡г, мм 78 54

Длина подвижного электрода ¡пэ, мм 40 33

Длина неподвижного электрода ¡э, мм 40 23

Длина ¡1, мм 15 18

Время срабатывания/отпускания, м/сек 1,5-3,0/0,2-0,5 1,5/2,0

Коммутируемое постоянное напряжение/ток, В/А 150/0,5 30/0,25

Коммутируемое переменное напряжение/ток, В/А 250/0,5 80/0,25

тока, как с приемлемой точностью следует определять параметры его элементов и где размещать при реализации защиты. От значительной части этих вопросов можно избавиться. В данной работе это предлагается осуществить следующим образом.

Конструктивные особенности. Конструкция датчика тока в виде геркона с обмотками приведена на рис. 1а. Так же как и в [5], датчик тока выполняется в виде геркона 1 с управляющей 2 и измерительной 3 обмотками, которые закрепляются на печатной плате 4 и помещаются в защитный корпус 5 из фарфора или пластмассы. Такой корпус позволяет защитить геркон с обмотками от механических и электрических повреждений. Выводы обмоток 2 и 3, а также контакты геркона 1 коммутируются со схемой защиты и измерения с помощью контактов 6. Следует добавить, что при изготовлении такого датчика тока ферромагнитные материалы не используются.

Геркон представляет собой неподвижный 7 и подвижный 8 электроды, которые запаяны в стеклянный корпус. Промышленностью выпускаются герконы различных типов. Однако для конструирования устройств релейной защиты наибольший интерес представляют герконы конструктивно аналогичные герконам типа КЭМ-1 и КЭМ-3. Конструкция и размеры магнитной системы этих герко-нов приведены на рис. 1б и 1в, где ¡пэ и ¡нэ — длина подвижного и неподвижного электродов; ¡1 — длина неподвижного электрода вне стеклянного корпуса, а их технические характеристики в табл. 1 [7, 8].

Управляющая обмотка 2 датчика тока при реализации различного рода устройств релейной за-

щиты может использоваться по-разному. В ряде устройств ее используют для подмагничивания постоянным или переменным током.

Подмагничивание постоянным током предоставляет возможность расширить диапазон измеряемых токов, а подмагничивание переменным током — выполнить реле направления мощности [5] или дифференциальную защиту [3] электрической линий или машины.

Измерительная обмотка 3 датчика тока позволяет контролировать напряженность и спектр магнитного поля в точке размещения магнитной системы геркона датчика тока, создаваемые током в шине защищаемого элемента энергосистемы и в управляющей катушке 2.

Это, в свою очередь, дает возможность определять порог срабатывания геркона и по его величине достаточно точно определять место установки датчика тока.

Следует добавить, что при разработке датчика тока на герконе длины управляющей ¡упр и измерительной катушки ¡ам, с учетом проведенных ранее исследований, принимались равными длине магнитной системы геркона.

Очевидно, при реализации того или иного вида защит требуется оценить достаточно точно воздействие на такой датчик тока магнитного поля, тока в шине защищаемой установки и тока в управляющей обмотке.

Магнитное поле шины. В соответствии с [8, 9] и рис. 2а срабатывание геркона вызывает напряженность магнитного поля Нх, которая направлена вдоль оси его магнитной системы. Если допустить,

что шина плоская шириной Ьш имеет бесконечную длину, а воздушный зазор геркона совпадает с ее серединой, то в соответствии с законом Био-Са-вара-Лапласа [9] и этим рисунком напряженность магнитного поля вдоль магнитной системы герко-на можно рассчитать приближенно, как магнитное поле от N элементов с током. В результате

ух (-) = ЯЯ

d

N 2 % ■ г2

(1)

где 1ш — ток в шине; тп = с-2 + (хп - х)2 — расстояние между л-м элементом шины с током 1ш /N и произвольной тичкой на магнитное системе геркона; в. — расстоянNе между н1иней + гер-оном; х — координата точки, в которой на продольной оси геркона опредеиется напряженность магнитного поля.

При эьом среднет знаеение напряженности магнитного поля плоеко= шины в области размещения магнитной системы геркона, В1^1 зывающей егосра-батывание,

1г /2

Но = - ео Я "Г

со N 2% •>

Сх

л=а - 1г/2

'(-л - - )2

(2)

Овзо = р,ррВ ■ Ювзобвзо с0нср ,

(3)

где f — частота сети; ж — число витков измерительной обмотки; Б = пв а /4 — 2 лощадь витков

измерительной катушки; ц0 — магнитная проницаемость вакуума.

Кроме того, из рис. 2б видно, что изменение Н вдоль магнитной сиNтемы незначительно и суще-с=венно уменьшается с уе2%1 ч2нием ширины шины и расстояния между шиной и герконом. В свяеи с э+их -ри конструицова-ии и реализации защиты представлое=оя удобн-ш использование среднсго знаеення Н в предееех магнитной сисеемы герконн и соотеетьтвующей ему величине л .

Маони-ное поле управляюще- -бмотки. Ие-вестно [9], что иаспределение напряженности Нх магнитноас поев вдоль продольной оси обмотки геррена длинай 7м пиеметром б. и с числом витков шк при токе I в ней в соответствии с рис. 1г и рис■ Юв можсо определит, как

г^е

Ьах =Т(И^(са8 Ра- савР2) ,

=1-=^¡1 + (Сц / 2 )2

(3)

саБ^ =

(1 к - 1-)/Ж-lJц(Л]/21 •

где вср — макиимсрено= значение ра-стоя+ие /2жду шиной и герконом, на котором проихходит срабатывание геркона; 1г — длина магнитной системы геркона.

Зависимость Нх (х), построрнная по математическому выражению (1) для шины шириной Л = 0,12 л- и током / = 4са А в ней, на рис. 2б по-

ш ш 1

казана утолщенной линией. Контакты используемого в эксперименте геркон а КЭМ-1 в этих условиях замыкались нь расстоянии вср, равном 0,062 м.

Из рис. 2б видно, что макоимальное значение магнитного поля шины приходится на область воздушного зазора геркона и достигает величины 817 Ахвит. В то же время среднее значение напряженности магнит=оио поля вчоль всей магнитной системы геркона длнной р ,078 м составает хорядка 784 Ахвит. На си с. 2б оно показано пунктирной линией. При этом [9] действительное значения ЭДС в измерительной ибм стке датчика тока

С учетом этого распределение напряженности Нх магнитного поля вдоль магнитной системы геркона КЭМ-1 от тока в обмотке с параметрами из табл. 2, приводящими к срабатыванию этого геркона, полученное по математическому выражению (3), приведено на рис. 3. Здесь линиями 1-4 показаны зависимости Нх (х) для управляющих обмоток с числом витков ш, равным 10, 20, 30 45 витков, и длиной, равной 18, 36, 54 и 78 мм соответственно. Из рис. 3 видно, что максимальное значение напряженности Н магнитного поля приходится

А х,тах А

на область воздушного зазора геркона, а ее изменение вдоль оси X уменьшается с увеличением длины управляющей катушки. При этом среднее значение этого распределения Нх (х) для обмотки с шк = 45 витков показано пунктирной линией. Из рис. 3 видно, что для управляющей катушки длиной, равной длине магнитной системы геркона, максимальное и среднее значения Нх для этой обмотки равны 818 и 784 Ахвит соответственно.

Сопоставление этих величин напряженности магнитного поля с такими же величинами, но для шины показывает, что различие между ними не превышает 0,12 и 0,51 % соответственно. Это подтверждает предположение о возможности конструирования и реализации защиты на предлагаемом датчике тока при 1 = 1 = 1 по величине среднего

упп изм г ± п

Нх. А/м

1 750

1 500

250

-3.9 -1.95

0 1.95 х*10.м

б)

Рис. 2. Расчетная схема для моделирования магнитного поля

Рис. 3. Распределение напряженности ^ магнитного поля вдоль магнитной системы

геркона кЭМ-1 от обмоток с различным числом витков, вызывающее срабатывание геркона

о=1

и

2

Таблица 2

Экспериментальное определение тока I в обмотке с wк числом витков, приводящего к срабатыванию геркона типа КЭМ-1

Параметры обмотки для геркона КЭМ-1 Обмотка № 1 Обмотка № 2 Обмотка № 3 Обмотка № 4

мм 7,4 7,4 7,4 7,4

1к, мм 78 54 36 18

вит 45 30 20 10

I , А ср 1,43 1,75 2,25 3,5

Бср 1с1^к, Ахвит 64,35 52,5 45,0 35

Нк, Ахвит 818 928 1133 1799

Результаты эксперимента с герконом типа КЭМ-3

Таблица 3

Параметры Режим 1 Режим 2 Режим 3 Режим 4 Режим 5

мм 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0

Ьнэ, мм 28 22,4 16,8 11,2 5,6

вит 50 40 30 20 10

I , А ср 1,45 1,55 1,85 2,5 4,7

1ср-№к, Ахвит 72,5 62 55,5 50 47

Нк, Ахм 2488 2615 2993 3656 5102

значения Нх в пределах магнитной системы геркона и соответствующей ему величине Е .

Таким образом, с приемлемой точностью напряженность магнитного поля срабатывания геркона можно определять по величине МДС обмотки, длина которой равна длине магнитной системы герко-на. В свою очередь, расстояние от геркона до шины следует определять по величине полученной напряженности магнитного поля срабатывания геркона и току в шине.

Корректирование параметров геркона. В связи с тем, что проектирование и реализация устройств релейной защиты затруднено из-за значительного разброса параметров срабатывания герконов определенный интерес представляет возможность их корректировки.

Одной из таких возможностей является изменение размеров магнитной системы путем укорачивания неподвижного электрода.

Для исследования такой возможности использовался геркон КЭМ-3, в котором по рис. 1г уменьшалась длина ¡яэ неподвижного электрода. В процессе эксперимента определялись МДС 1сршк обмотки диаметром = 0,0052 м, длиной ¡к = 0,04 м и с числом витков ш = 23, а также максимальное значение

к

Н напряженности магнитного поля этой обмотки геркона, приводящее к срабатыванию геркона. Результаты экспериментальной проверки возмож-

ности корректировки такого геркона приведены в табл. 3.

Таким образом, если допустить, что разброс параметров срабатывания герконов из одной партии составляет порядка 15 %, то для его устранения изменение длины неподвижного электрода не превысит 5 %, то есть порядка 1,5 мм.

Библиографический список

1. Федосеев А. М. Релейная защита электрических систем. М.: Энергия, 1976. 559 с.

2. Беркович М. А., Молчанов В. В., Семенов В. А. Основы техники релейных защит. М.: Энергоатомиздат, 1984. 232 с.

3. Новожилов А. Н. Применение герконов для защиты асинхронных двигателей от витковых замыканий // Электричество. 1990. № 2. С. 52-55.

4. Никитин К. И., Новожилов А. Н., Кудабаев Д. А., Новожилов Т. А., Сидоров О. А. Чувствительная защита от замыканий ТТНП с герконом // Омский научный вестник. 2013. № 2 (120). С. 210-213.

5. Новожилов А. Н., Никитин К. И., Кудабаев Д. А., Новожилов Т. А., Сидоров О. А. Максимальная токовая защита на герконе герконом // Омский научный вестник. 2013. № 2 (120). С. 210-213.

6. Новожилов А. Н., Новожилов Т. А., Попов А. П., Малинин Н. В. Максимальная токовая защита на герконе герконом // Омский научный вестник. 2015. № 3 (143). С. 251-253.

7. Диковский Я. М., Капралов И. И. Магнитоуправляемые контакты. М.: Энергия, 1970. 153 с. ISBN 978-5-91559-098-3.

8. Карабанов С. М., Майзельс Р. М., Шоффа В. Н. Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе. Долгопрудный: Издат. дом «Интеллект»М, 2011. 408 с. ISBN 978-5-91559-098-3.

9. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1967. 775 с.

НОВОЖИЛОВ Тимофей Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий». Адрес для переписки: timokvey@mail.ru

Статья поступила в редакцию 16.06.2017 г. © Т. А. Новожилов

УДК 621.31

И. С. СУХАЧЕВ

с. в. сидоров В. в. сушков

Тюменский индустриальный университет,

г. Тюмень Нижневартовский государственный университет, г. Нижневартовск

методика оценки энергии,

воздействующей на изоляцию электрооборудования нефтяной скважины при импульсных перенапряжениях

Работа относится к области электротехники и внутрискважинного оборудования, а именно к оценке энергии, воздействующей на изоляцию электрооборудования нефтяной скважины при импульсных перенапряжениях. Разработана на примере системы «трансформатор—питающий кабель—ПЭД» схема замещения и ее математическое описание. Построена и проанализирована АЧХ импульсных перенапряжений на входе трансформатора, кабеля и погружного электродвигателя. Определены энергия и частоты напряжений в узлах схемы замещения, где энергия воздействия на изоляцию имеет максимальное значение.

Ключевые слова: импульсные перенапряжения, энергия, изоляция электрооборудования, трансформатор, кабель, погружной электродвигатель, оборудование защиты.

Одна из причин значительных непроизводственных потерь и снижения объема добычи нефти при использовании установок электрических центробежных насосов (УЭЦН) заключается в выходе из строя погружных электродвигателей (ПЭД). Причем надежность изоляции (50 % выхода из строя) ПЭД существенным образом влияет на технический ресурс УЭЦН в целом. На технический ресурс изоляции ПЭД существенным образом влияют число импульсов и величина энергии (напряженность электрического поля) внутренних и внешних перенапряжений, приводящих к пробою изоляции [1, 2].

У твердых изоляционных материалов различают три основных механизма пробоя: тепловой, электрический и электрохимический [3].

Тепловой пробой возникает, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в изоляции за счет диэлектрических потерь, превышает то

количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях, при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом изоляции, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения и температурой окружающей среды. Типичными признаками теплового пробоя является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности.

Электрический пробой не обусловлен тепловой энергией и является по своей природе чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией, которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкно-