Реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем

Коробейников Борис Андреевич; Сидоров Дмитрий Игоревич; Литягин Денис Александрович

УДК 621.31

РЕЛЕ ТОКА НА ОСНОВЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар

Kuban State Technological University, Krasnodar

Экспериментально получены характеристики наиболее распространенных токовых реле (РТ-40, РСТ-13). Предложено токовое реле на основе однофазного трансформатора с вращающимся полем, обладающее улучшенными характеристиками.

Ключевые слова: однофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем; токовое реле; трансреактор; трансформатор тока.

Characteristics of the most widespread current relay (РТ-40, РСТ-13) are experimentally received. It is offered current the relay on the basis of the single-phase transformer with the rotating field, possessing the improved characteristics.

Keywords: single-phase transformers with a rotating magnetic field; current relay; transformer reactor; current transformer.

В настоящее время для защиты электрических сетей широко применяются реле тока на электромеханической, полупроводниковой и микропроцессорной элементной базе, использующие различные информационные признаки входных сигналов. В современных токовых реле для гальванической развязки с трансформаторами тока применяются промежуточные трансформаторы (трансреакторы), а информационные признаки сигнала, в частности амплитуда тока, формируются с использованием численных алгоритмов для микропроцессора.

Предлагаемое реле тока на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем (ОТВП) [1] позволяет наряду с выполнением функций гальванической развязки с трансформатором тока, формировать информационный признак входного тока - амплитуду.

На рис. 1 приведена схема токового реле на основе ОТВП. Первичные обмотки реле (3-6) подключаются непосредственно к измерительному трансформа-

тору тока (зажимы 1, 2). Балансные элементы 7 и 8 позволяют добиться необходимого фазового сдвига между токами ветвей. Вторичные обмотки 9 - 14 образуют шестифазную систему вторичных напряжений. Особенностью схемы соединения первичных обмоток является получение временного и пространственного сдвига МДС для получения вращающегося поля без использования фазосдвигающего конденсатора [2, 3].

Получение вращающегося магнитного поля возможно только при равных и взаимоперпендикулярных векторах магнитодвижущих сил обмоток. Это условие соблюдается при определенном соотношении токов в ветвях системы. Описанное выше свойство выполняется в следующем случае:

% = е]-90°

где F и F2 - магнитодвижущие силы взаимоперпендикулярных обмоток.

Рис. 1. Схема токового реле на основе ОТВП

2

Так как число витков в катушках каждой обмотки относится как 1 к 2 и они включены встречно, можно записать следующие равенства для относительных магнитодвижущих сил обмоток:

• Л • Л • I

Fi = 212 -1

F 2 = 2IJ- 12,

где Д и 12 - относительные токи обеих ветвей схемы; Р1 и Ё2 - относительные магнитодвижущие силы обмоток.

Объединив систему уравнений с условием равенства и взаимоперпендикулярности векторов магнитодвижущих сил, получим

212 ~11 = ^-90° 211 -12 '

Составив уравнение по первому закону Кирхгофа для одного из узлов схемы, получим следующую систему уравнений:

212 - Ii = eJ'90 (2I 1 -12);

Ii = I -12,

где 1 - суммарный ток ОТВП.

Решая записанные уравнения совместно, получим следующие выражения для токов ветвей:

12 = 1 (2] + 1) = (0 + 0 67Л;;

2 3 - (] +1) ' "

11 = (0,5 - 0,167 ] )1. Откуда фазовый сдвиг между токами: Дф = 2эк^| 0,167 1 = 36,9°

Из приведенных выше выражений видно, что полученное значение угла не зависит ни от каких параметров схемы, кроме соотношения чисел витков первичных обмоток трансформатора. Для обеспечения данного фазового сдвига необходимо лишь выбрать соответствующие значения балластного сопротивления 7 и индуктивности 8 (см. рис. 1), обеспечивающие равенство и необходимый фазовый сдвиг токов в ветвях.

Работает однофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем следующим образом: на зажим 1 и 2 подается однофазное переменное напряжение частотой 50 Гц. Первичная обмотка 3 - 6 посредством встречно включенных секций создает систему из двух перпендикулярных и равных по модулю магнитодвижущих сил (Ё* и Ё2*) в магнитной системе 9. Описанные магнитодвижущие силы в свою оче-

редь создают вращающееся магнитное поле, которое наводит во вторичных обмотках 9 - 14, сдвинутых пространственно на угол 60 °, электродвижущие силы, также имеющие фазовый сдвиг 60 °, в результате на выходе ОТВП получена система напряжений с числом фаз, равным 6.

Использование вращающегося магнитного поля и многофазного выпрямления в измерительном трансформаторе позволяет резко уменьшить биения выходного напряжения, а также расширяет функциональные возможности предлагаемого устройства.

Вторичные обмотки ОТВП разделены на две трехфазные системы, соединенные в звезду и подключенные к выпрямительному мосту 16, выход которого соединен с органом сравнения 17. Вторичные обмотки работают в режиме, близком к холостому ходу. Орган сравнения, воздействующий на выходной контакт 18, может быть реализован на электромеханической, полупроводниковой или микропроцессорной элементной базе. Многофазное выпрямление значительно уменьшает пульсации и улучшает работу реле при перегруженных трансформаторах тока.

Искажение сигнала при перегруженных трансформаторах тока (ТТ) вызывает ухудшение работы реле тока, причем погрешность срабатывания определяется как

5 =

^CPi ICP2

I

где /СР1 - ток срабатывания реле при синусоидальном сигнале; 1СР2 - ток срабатывания реле при искаженном сигнале.

Испытание реле производилось на установке РЕТОМ-41М в лаборатории ОАО «Кубаньэнерго». В качестве органа сравнения использовалась полупроводниковая схема, выполненная на операционных усилителях и содержащая компаратор и триггер Шмидта [4]. На рис. 2 и 3 изображены диаграммы работы описываемого реле на основе ОТВП при синусоидальном входном токе и при его искажении измерительным трансформатором тока. Кратности входных токов близки к единице. Токовая уставка реле 1 А.

Испытания показали, что при погрешности по току /■=50 %, погрешность срабатывания для РТ-40 и РСТ-13 достигают соответственно 42 и 56 %, а для предлагаемого реле - около 7 %.

Такое повышение точности для токового реле на основе ОТВП происходит из-за коррекции выходного сигнала за счет эффекта дифференцирования искаженного сигнала, содержащего высшие гармоники, и многофазного выпрямления. На рис. 4 представлены зависимости погрешности срабатывания реле РТ-40, РСТ-13 и реле на базе ОТВП от погрешности ИТТ.

Результаты приведенных исследований показывают, что в установившихся режимах при перегруженных трансформаторах тока предлагаемое токовое реле работает со значительно меньшими погрешностями по сравнению с серийно выпускаемыми реле типов РТ-40 и РСТ-13.

/вх,А

0,4 0,2 0

-0,2 -0,4 -0,6 -0,8

Цвых, В

и

ып, В 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0

CVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV^

;................:................!................i................!................!

.......!..........L

Iвх, А

0,4

V -0,2 -0,4 -0,6 -0,8

Цвых, В

3,0 1,0 0

-1,0 -3,0 -5,0

вып

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10

Рис. 2. Диаграмма работы реле при синусоидальном сигнале: 1ВХ - контролируемый ток (см. рис. 1); ^ВЫХ - шестифазная система напряжений на обмотках 9 - 14; ^ВЫП - выпрямленное напряжение (16)

^ %

63 56 49 42 35 28 21 14 7 0

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10

Рис. 3. Диаграмма работы реле при 30 %-м искажении сигнала ИТТ

-^^

-PT=4< -7 -

- rL> 1 ■T^^---

^^-

ОТВП

----

0

30

50 f, % 60

Рис. 4. Зависимость погрешности срабатывания реле от насыщения ИТТ

Литература

1. Пат. 2333562 РФ. Однофазный трансформатор вращающегося поля / Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров. 5 с.

2. Линт Г.Э. Серийные реле защиты, выполненные на интегральных микросхемах. М., 1990. 112 с.

3. Определение параметров однофазного трансформатора с вращающимся полем без учета активных сопротивлений обмоток / Б.А. Коробейников [и др.] // Электроэнергетические комплексы и системы: сб. науч. статей. Краснодар, 2008. С. 8 - 11.

4. Коробейников Б.А., Сидоров Д.И. Определение параметров однофазного трансформатора с вращающимся полем по схеме с четырьмя обмотками без балансного дросселя // Электроэнергетические комплексы и системы: сб. на-учн. статей. Краснодар, 2009. С. 7 - 12.

Поступила в редакцию

12 декабря 2009 г.

Коробейников Борис Андреевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий», Кубанский государственный технологический университет.

Сидоров Дмитрий Игоревич - старший преподаватель, кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий», Кубанский государственный технологический университет. Тел. +7(961) 585-38-70. E-mail: [email protected]

Литягин Денис Александрович - аспирант, кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий», Кубанский государственный технологический университет.

Korobeynikov Boris Andreevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Energy Supply of Industrial Enterprises», Kuban State Technological University.

Sidorov Dmitriy Igorevich - senior lector, department «Energy Supply of Industrial Enterprises», Kuban State Technological University. Ph. +7(961) 585-38-70. E-mail: [email protected]

Lityagin Denis Aleksandrovich - post-graduate student, department «Energy Supply of Industrial Enterprises», Kuban State Technological University.

Текст научной работы на тему «Реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем»