Максимальная токовая защита на герконе Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.316.925.1

Т. А. НОВОЖИЛОВ А. Н. НОВОЖИЛОВ А. П. ПОПОВ Н. В. МАЛИНИН

Омский государственный технический университет Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова, Республика Казахстан

МАКСИМАЛЬНАЯ

ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НА ГЕРКОНЕ

Предложена простая конструкция максимальной токовой защиты на герконе МТЗГ электрических линий и устройств, сменные элементы которой дешевы и позволяют с успехом использовать ее для защиты от коротких замыканий в широком диапазоне рабочих токов там, где отсутствуют трансформаторы тока или невозможна их установка. Для реализации МТЗГ разработана математическая модель магнитного поля плоской шины, которая позволяет с высокой точностью рассчитывать параметры МТЗГ и оценивать влияние на гер-кон этой защиты токов в шинах соседних фаз. Приведены параметры сменных элементов, а также пример расчета и установки порога срабатывания МТЗГ. Ключевые слова: релейная защита, максимальная токовая защита на герконе, математическая модель магнитного поля шины.

Наиболее часто для релейной защиты электрических линий и устройств от коротких замыканий используется максимальная токовая защита. Как правило, для ее реализации необходим датчик тока и реагирующий орган. Обычно их роль выполняют трансформатор тока и токовое реле [1, 2]. Однако установить такую защиту удается не на все электрические линии и устройства. Это вызвано тем, что часть из них не имеет трансформаторов тока, а на другие установить трансформаторы тока не удается из-за их конструктивных особенностей.

С другой стороны, вопрос о переходе с трансформаторов тока на другие датчики тока настолько значителен, что в 2001 году он рассматривался специально на 38-й сессии СИГРЭ в Париже на заседании, посвященном теме замены трансформаторов тока и напряжения новыми датчиками тока и напряжения и влиянию их на проектирование защит.

В ряде случаев эту проблему может решить датчик тока в виде геркона с обмоткой [3, 4]. Примером использования такого датчика может служить также максимальная токовая защита на герконе (МТЗГ), которая разработана на кафедре «Электроэнергетика» в Павлодарском государственном университете для установки ее ячейке комплектного распределительного устройства (КРУ) на рабочее напряжение 6 кВ. Конструкция МТЗГ приведена на рис. 1.

В МТЗГ датчик тока выполнен в виде сменного элемента, обеспечивающего работу защиты в заданном диапазоне рабочих токов в шине 1. Он представляет собой пластину 2 из стеклотекстолита с печатной схемой, в которую впаян геркон 3 с обмоткой 4. В предлагаемой конструкции для этого использовалось герконовое реле РЭС55А [5]. Число сменных элементов МТЗГ и диапазон их

рабочих токов зависит от геометрических размеров МТЗГ, а следовательно, от рабочего напряжения в КРУ. Для защиты сменного элемента от напряжения в шине используется электроизолирующий корпус 5. Его крепление к несущей конструкции 6 КРУ осуществляется с помощью кронштейна 7 и болтов 8 с гайками 9. Такое крепление корпуса позволяет осуществить поворот вокруг оси 10.

Размеры МТЗГ в основном определены высотой ( опорного изолятора равной 130 мм. При этом высота корпуса защиты Б и толщина шины составляли 120 мм и 10 мм, а расстояние между шинами 1Ш — 300 мм. Размещение МТЗГ в КРУ показано на рис. 2, где 10 — опорный изолятор.

Расстояние ( для каждого диапазона рабочих токов определяется по расчетной схеме на рис. 3, при этом магнитное поле от тока 1Ш в шине рассчитывается приближенно как магнитное поле от N элементов с током 1Э = 1Ш / N который сосредоточен в центре этого элемента.

Известно, что срабатывание геркона вызывает напряженность магнитного поля НГ, которая направлена вдоль оси его магнитной системы. Если допустить, что шина имеет бесконечную длину, то в соответствии с рис. 1 и 3 по закону Био — Са-вара — Лапласа [6] напряженность магнитного поля

I. d

Н=Н у81п а=£ 2 ? 81

(1)

— угол между направлением тока в шине осью_магнитной системы геркона;

2 , <-„ „\2

где а

и _

гп ЧА2 + (Уп - У)

Результаты моделирования НГ при токе в шине 1Ш =1000 А для различных значений ширины шины

п=1

Рис. 1. Максимальная токовая защита на герконе

Рис. 2. Взаимное расположение защиты и токоведущей шины

X

Рис. 3. Расчетная схема для моделирования магнитного поля шины

и расстояния <3 приведены на рис. 4. Здесь линии 1 и 2 построены для шин шириной 0,06 м и 0,10 м при величине <3, равной 0,03 м, кривые 3 и 4 для тех же шин на расстоянии <3, равном 0,13 м.

Из рис. 4 видно, что величина Ну в области размещения магнитной системы геркона неодинакова. Поэтому при расчете параметров защиты следует использовать ее среднее значение Нуср, показанное для линии 1.

По рисунку 4 можно также оценить величину влияния на магнитную систему этого герко-на магнитных полей от токов в соседних шинах. Так, по линии 1 напряженность поля от собственной шины составляет 3411 А/м, а от соседней — 67,8 А/м.

То есть, если в расчетах не учитывать влияние соседних фаз, то погрешность составит порядка 1,9 %. Очевидно, с ростом величины <3 эта погрешность возрастает.

Избавиться от этой погрешности можно, если напряженность магнитного поля геркона определять как

(2)

где НгА, Н гВ и Н гС — напряженности магнитного поля геркона от токов в шинах фаз А, В и С которые определяются по рис. 4.

В соответствии с [3, 7] напряженность магнитного поля, при которой происходит замыкание контактов геркона, можно определить как

Н = I •w / И ,

ср,г ср,ог ог ог

(3)

где wог и Иог — число витков и длина обмотки геркона; I — величина тока в обмотке геркона, при

ср,ог

котором происходит его срабатывание.

Н г - Н гА + Н гВ + Н гС

Нг,А/м

-4400 Vi .....: ну,ср ¡\;2

А 1

7 i ; ['3 \

т Ьч г 1 ■ ур

50

100

150

200

250

300 Y,мм

Рис. 4. Зависимость тока в шине, который вызывает срабатывание геркона на расстоянии d

Таблица 1

Параметры сменных элементов защита МТЗГ

Номер сменного элемента 1 2

Расстояние d, мм 30 120

Минимальный ток срабатывания !сз min, А 898 2831

Для используемого в защите герконового реле РЭС55А напряженность магнитного поля Н со-

ср,г

ставила 3667 А/м. При этом действующее значение ЭДС Есрг, индуцированное в обмотке геркона составило 0,495 В. С учетом параметров реле РЭС55А и зависимостей на рис. 4 в этой максимальной токовой защите можно использовать только два сменных элемента. Их параметры приведены в табл.1.

Для максимальной токовой защиты по [2] ток срабатывания

I = k •k -I ,

сз н з н,шах'

(4)

где 1нтах — максимальное значение тока в нормальном режиме работы; кз — коэффициент защиты, который зависит от типа нагрузки и принимается соответственно равным кратности пускового тока асинхронного двигателя или отношению броска тока намагничивания трансформатора к его номинальному значению; кн — коэффициент надежности, который принимают равным 1,7 — 2, используют для учета неточности расчета параметров защиты и разброса величин намагничивающей силы срабатывания реле геркона РЭС55А.

Сменный элемент выбирают по величине его минимального тока срабатывания I из табл. 1.

^ сз,тш

Если 898 А< I . <2831 А, то используется первый

сз,тщ 1

сменный элемент, а при I >2831 А — второй.

^ сз,тш ^

Выставление требуемого тока защиты срабатывания осуществляется поворотом корпуса устройства защиты на угол

а = arc sin (I . / I )

v C3,min сз'

(5)

Контролируют точность отстройки защиты по величине ЭДС в обмотке реле в режиме номинальной нагрузки.

Коэффициент чувствительности защиты

кЧ = I . / I ,

Ч к,шш сз

(7)

где I — минимальное значение тока короткого замыкания [2].

Таким образом, например, для защиты асинхронного двигателя АТД4 с номинальным током

IHmax = 90 A и кратностью пускового тока 5,5 при коэффициенте кн = 2 для МТЗГ

I = к к I = 2,0-5,5-90 = 990 А.

сз н з сз

В соответствии с табл. 1 и приведенными рекомендациями в защите АТД4 следует использовать сменный элемент № 1. При этом угол поворота корпуса МТЗГ

а = arc sin (I . / I ) = arc sin (898/990) = 65,1o.

v сз,шш сз' v '

Точность контроля установки порога срабатывания МТЗГ контролируется по величине ЭДС обмотки геркона в режиме нагрузки, которую определяют как

Е = Е /(к к ) sina =

г ср,г v н з'

= 0,49/(2,0-5,5)sin 65,1 = 0,0403 В.

Как показали лабораторные исследования опытного образца МТЗГ, он вполне отвечает требованиям, которые предъявляют к максимальным токовым защитам [1, 2].

Расширить область рабочих токов МТЗГ можно за счет использования герконов с более низкой напряженностью магнитного поля срабатывания Н , а также путем подмагничивания геркона постоянным магнитом [4] или с помощью обмотки, подключаемой к источнику оперативного тока.

Подмагничивание постоянным магнитом легко осуществить, если вместо реле РЭС55А использовать, например, поляризованное герконовое реле РПС-50 [5] или схему размещения магнита, используемую в [4]. Следует добавить, что особенностью МТЗГ является то, что она достаточно просто может интегрироваться в качестве датчика тока в защиты на микропроцессорной базе [8].

Выводы

1. Предложенная максимальная токовая защита МТЗГ проста по конструкции, а ее сменные элементы дешевы, что позволяет с успехом использовать ее для защиты от коротких замыканий в широком диапазоне рабочих токов там, где отсутствуют трансформаторы тока или невозможна их установка.

2. Разработанная математическая модель магнитного поля шины дает возможность с высокой точностью рассчитывать параметры МТЗГ и оценивать влияние на геркон этой защиты токов в шинах соседних фаз.

Библиографический список

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

2. Беркович, М. А. Основы техники релейных защит / М. А. Беркович, В. В. Молчанов, В. А. Семенов. — М. : Энер-гоатомиздат, 1984. — 232 с.

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

4. Чувствительная защита от замыканий ТТНП с гер-коном / К. И. Никитин, А. Н. Новожилов, Д. А. Кудабаев, Т. А. Новожилов, О. А. Сидоров // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2013. — № 2 (120). — С. 210 — 213.

5. Игловский, И. Г. Справочник по слаботочным электрическим реле / И. Г. Игловский, Г. В. Владимиров. — Л. : Энер-гоатомиздат, 1990. — 560 с.

6. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники / Л. А. Бессонов. — М. : Высшая школа, 1967. — 775 с.

7. Новожилов, А. Н. Способ защиты обмотки ротора синхронного генератора от витковых замыканий на двух индукционных преобразователях / А. Н. Новожилов, В. Н. Горюнов, В. И. Полищук, М. П. Воликова, Т. А. Новожилов // Электричество. - 2010. - № 8. - С. 64-67.

8. Андреев, В. А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения / В. А. Андреев. - М. : Высшая школа. -1991. - 495 с.

НОВОЖИЛОВ Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры электроэнергетики Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова, Республика Казахстан.

ПОПОВ Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры теоретической и общей электротехники ОмГТУ. МАЛИНИН Никита Витальевич, студент гр. КЗИ-141 радиотехнического факультета ОмГТУ.

НОВОЖИЛОВ Тимофей Александрович, аспирант кафедры электроснабжения промышленных предприятий Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

Адрес для переписки: timokvey@mai1.ru

Статья поступила в редакцию 17.09.2015 г. © Т. А. Новожилов, А. Н. Новожилов, А. П. Попов, Н. В. Малинин

УДК 699865 П. В. ПЕТРОВ

Е. М. РЕЗАНОВ В. Р. ВЕДРУЧЕНКО А. П. СТАРИКОВ

Омский государственный университет путей сообщения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ ПРИ КАПИТАЛЬНОМ РЕМОНТЕ

Предложена методика и алгоритм определения оптимальной толщины утепляющего слоя ограждающих конструкций здания при капитальном ремонте. Научная разработка учитывает нормативные документы по тепловой защите зданий и обоснование применяемых экономических решений. Обоснована целесообразность применения предложенного алгоритма, позволяющего снизить приведенные затраты теплосберегающих мероприятий при капитальном ремонте зданий.

Ключевые слова: эффективность, затраты, тепловая энергия, теплопередача, толщина ограждений, температура.

В настоящее время в сфере жилищного фонда обострилась проблема капитального ремонта с проведением активной энергосберегающей политики, целью которой является одновременное снижение капитальных затрат и энергоресурсов.

Указанное направление базируется на Федеральных законах РФ № 399-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности ...» от 28 декабря 2013 года и № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» от 30 декабря 2009 года.

Главным условием эффективности теплосбере-жения в зданиях при капитальном ремонте является повышение теплозащитных свойств ограждающих конструкций. Данные тепловизионных обследова-

ний зданий позволяют заключить, что на наружные стены приходится до 30 % потерь тепловой энергии, на светопрозрачные ограждения — 25 %, на пол и потолок — 5 % и 40 % — расход тепла на нагрев инфильтруемого наружного воздуха [1].

Применение теплозащитных материалов способствует снижению тепловых потерь, но отсутствие методологии оптимального выбора толщины утепляющего слоя ограждающих конструкций зданий при капитальном ремонте приводит к повышенным приведенным затратам.

Предложенный в работе [2] принцип формирования математической модели оптимизации оптимального выбора толщины утепляющего слоя ограждающих конструкций зданий при капитальном ремонте не имеет методической завершенности.