Научная статья на тему 'Влияние обмоток на параметры срабатывания и возврата герконов'

Влияние обмоток на параметры срабатывания и возврата герконов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
264
29
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГЕРКОН / НАПРЯЖЕННОСТЬ / ИНДУКЦИЯ / ТОК / МАГНИТНОЕ ПОЛЕ / КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ / ОБМОТКА / УРАВНЕНИЕ / РАСЧЕТ / РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА / HERMETIC CONTACT / TENSION / INDUCTION / CURRENT / MAGNETIC FIELD / AMPLIFICATION COEFFICIENT / WINDING / EQUATION / CALCULATION / RELAY PROTECTION

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Майшев Павел Николаевич

Дана количественная оценка погрешности в определении индукции (напряженности) срабатывания и возврата герконов. Приведены рекомендации по снижению ее значения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Майшев Павел Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Influence windings on response and return parameters of hermetic contacts

Quantitative fault in determining of induction (strength) response and return hermetic contacts is given. The recommendations to reduce its value.

Текст научной работы на тему «Влияние обмоток на параметры срабатывания и возврата герконов»

УДК 621.316.9

ВЛИЯНИЕ ОБМОТОК НА ПАРАМЕТРЫ СРАБАТЫВАНИЯ И

ВОЗВРАТА ГЕРКОНОВ

П.Н. МАЙШЕВ

Павлодарский государственный университет им. С.Торайгырова, Казахстан

Дана количественная оценка погрешности в определении индукции (напряженности) срабатывания и возврата герконов. Приведены рекомендации по снижению ее значения.

Ключевые слова: геркон, напряженность, индукция, ток, магнитное поле, коэффициент усиления, обмотка, уравнение, расчет, релейная защита.

Введение и постановка задачи

Герконы - магнитоуправляемые контакты - в последние десятилетия находят все более широкое применение в технике, например в релейной защите. На данный момент разработано целое направление, использующее герконы в качестве реагирующих элементов и измерительных преобразователей тока в защитах элементов электроэнергетических систем [1 - 4]. В некоторых из этих устройств [3, 4] герконы используются с намотанными на них обмотками, в которых наводится электродвижущая сила (ЭДС) от магнитного потока токопровода защищаемой электроустановки (ЭУ). Этот же магнитный поток действует и вдоль продольной оси геркона. Как правило, обмотка подключается к усилителям. Входное сопротивление усилителя и сопротивление обмотки геркона образуют контур, по которому протекает определенный ток /О)БМ. Этот ток наводит магнитный поток, действующий на контакты геркона. Обычно в расчетах им пренебрегают, считая ничтожно малым. В данной статье сделана попытка проверить это обстоятельство.

Расположение геркона

Пусть геркон с намотанной на него обмоткой, выполняющий функции аналого-дискретного преобразователя и реагирующего элемента, расположен под токопроводами защищаемой ЭУ (рис. 1, а). Тогда индукцию магнитного поля (МП), действующего вдоль продольных осей геркона и его обмотки, созданного током токопроводников фаз, можно определить по формуле [1]

¿ПР = В А СО« б 1 + Бв СО« б 2 + Вс СО« б 3 =

= м(А • 1а + ЕВ •1В + Ес • ^с)/2р , (1)

где Ба (Вв и Вс ) - индукция МП, созданного током 1а (1в и 1с ) фазы А (В и С), в точке, совпадающей с центром тяжести геркона и его обмотки; а1 (а2 и аз ) - угол между осью геркона и Ва ( Вв и Вс); Цо - постоянная, характеризующая

магнитные свойства вакуума, Цо = 4п-10 гн/м; еа , Ев , Ес - коэффициенты, полученные с помощью элементарной геометрии из закона Био-Савара-Лапласа:

8л =

ЙСОвг + х8Шг

Т2 2

к + х

8б =

ксову + (х - й ^ту к2 +(х - й)2

8 с =

ксО8у + (х - 2й^ту к2 +(х - 2й )2

где к - минимальное (по Правилам [5]) расстояние в вертикальной плоскости от горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести геркона и обмотки, до горизонтальной линии, проходящей через центры поперечных сечений токопроводников фаз А, В, С защищаемой ЭУ (для ЭУ с горизонтально расположенными токопроводниками фаз); х - расстояние в горизонтальной плоскости от вертикальной линии, проходящей через центр тяжести геркона и обмотки до вертикальной линии, проходящей через центр поперечного сечения токопроводника фазы А (рис. 1, а); у - угол в вертикальной плоскости между горизонтальной линией, проходящей через центр тяжести геркона и продольной осью геркона; й - расстояние в горизонтальной плоскости между центрами поперечных сечений токопроводников соседних фаз А, В и С (на рис. 1, а не показано).

Рис. 1. Геркон с намотанной на него обмоткой: а) расположенный в магнитном поле токопровода фазы А защищаемой электроустановки; б) основные размеры обмотки

Влияние обмоток

Магнитный поток Ф - есть поток вектора магнитной индукции Впр через площадь S = п-DfflEm/4 (-®внеш - внешний диаметр обмотки) поперечного

сечения обмотки, намотанной на геркон: Ф = JBnpdS. Магнитный поток Ф

S

наводит в обмотке геркона электродвижущую силу взаимоиндукции, мгновенное значение которой определяется по формуле [6, 7]

¿Ш „,й(Ф sin щ?)

е =--= -W —-— =

dt dt

= -щЖФ cos щ? = -2рfWSBПP sin (iiit + 900 ), (2)

где f - частота промышленного тока; W - количество витков обмотки геркона. Действующее значение ЭДС определяется по формуле

É = -(fWSBnp ) еj90° = (пfWSBnP ) е-j90° . (3)

Из формул (2) и (3) видно, что фаза É сдвинута относительно фазы Ф на угол п/2. При подключении к обмотке усилителя электродвижущая сила É создает в ней ток

E

7ОБМ = -—Z-—Z-, (4)

■^ОБМ + ¿ПРОВ + ZBX. УС

где ^ОБМ - полное сопротивление обмотки геркона; ZnpoB - полное сопротивление соединительных проводов между обмоткой геркона и усилителем; Zbx. ус - входное сопротивление усилителя.

На практике, чтобы не наматывать обмотку на геркон вручную, можно взять обмотки круглого сечения от стандартных реле. На таких обмотках, как правило, указано: номинальное напряжение Uном , В; активное сопротивление /ОБМ , Ом; марка обмоточного провода. При этом необходимо измерить: внутренний диаметр Dbhytp , м, обмотки; внешний диаметр DвнЕШ, м, обмотки; её длину /обм , м, (рис. 1, б). Расчетными для обмотки параметрами являются:

средний диаметр обмотки, м,

D = ДВНУТР + р°ВНЕШ . (5)

dcp =-2-; (5)

толщина намотки, м,

b = р°ВНЕШ - DBHyTP (6)

2 '

Из справочника [8] с учетом того, что индуктивное сопротивление обмотки хОБМ = 2nfL , Ом (где L - индуктивность обмотки), находим

2п/Мг2БСр • 10"'

^2

■3

хОБМ =

хоБМ 1125/обм + 1250Ь + 375БСР .

(7)

Если гобм не указано, то его можно определить по формуле

ПРОВ

где р - удельное сопротивление провода, которым намотана

При использовании обмоток от стандартных реле внутренний диаметр Бвнутр обмотки должен быть больше (на 1-2 мм) диаметра стеклянной колбы геркона, а длина /обм обмотки примерно равна длине колбы геркона.

Обмотки могут быть как низкоомные, например от токового реле РТМ-1 (Известные данные: W =92; ^ОБМ =0,05 Ом; провод ПЭВ-2/1,56; —3 — 3 —3

Бвнутр = 7,5 • 10 м; Бвнеш = 26 • 10 м; /обм = 36 • 10 м. Рассчитанные

-6 2 -3

данные: £ = 531 • 10 м ; по формуле (5) Бср = 16,75 • 10 м; по выражению (6)

Ь = 9,25 • 10-3 м; по (7) хОБМ = 12,8 • 10-3 Ом; по (8) ZОБМ = 0,05 + ДО,0128 Ом), так и высокоомные, например от указательного реле РУ 21/220 (Известные данные: W =61000; гобм =28000 Ом; провод ПЭЛ-0,05; БВНУТР = 7,5 • 10-3 м;

_3 _3 _6 2

Бвнеш = 26 • 10 м; /обм = 36 • 10 м. Рассчитанные данные: £ = 531 • 10 м; БСР = 16,75 • 10-3 м; Ь = 9,25 • 10-3 м; хОБМ =5621,404 Ом;

^ОБМ = 28000 + ]5621,404 Ом).

Будем считать, что обмотки других реле, которые могут быть использованы в качестве обмотки геркона, имеют в основном средние между указанными выше показателями, например, от промежуточного реле РП-251: W =28000;

гОБМ =7650 Ом; провод ПЭВ-2/0,08; БВНУТР = 17 • 10-3 м; БВНЕШ = 31 • 10-3 м; /ОБМ = 60,5 • 10-3 м; £ = 754,8 • 10-6 м2; БСР = 24 • 10-3 м; Ь = 7 • 10-3 м; хОБМ =1653,24 Ом; ZОБМ = 7650 + Д653,24 Ом.

Для того, чтобы получить максимальное значение тока -^ОБМ, рассчитываемое по формуле (4), принимаем, что ^Пров ® 0. Физически это соответствует тому, что усилитель находится в непосредственной близости от обмотки геркона и соединен с ней проводами достаточно большого сечения.

Входное сопротивление ^вх. УС ® ^Вх. ус усилителей, как правило, 33

варьируется от 10 до 400 • 10 Ом [9]. С учетом этого формулу (4) можно записать

обмотка, Ом • мм2/м; £пров - площадь его поперечного сечения без изоляции. Затем определяем полное сопротивление обмотки геркона:

2ОБМ = гОБМ + .¡хОБМ . <

(8)

в виде

'ОБМ

с

(0,05 * 28000)+ Х0,0128 * 5621,4)+ ([ООО * 400 • 103 )

999,95е-* 2,336е^0'753°

10-6 • Е, (9)

где значение в скобках имеет размерность - Ом. Подставляя (3) в формулу (9), получим

•10-6х

/ОБМ = ^999,95е-'0° * 2,336е"''0'753°

х 314,16 • (92 * 61000) • 531 • 10-6 • е-/'90° • =

= ^15,347е900 * 23,774е-'90,7530 ^ • 10-3 • . (10)

Ток -&ОБМ , в свою очередь, создает магнитное поле в центре на оси обмотки

геркона с индукцией «ПР^, для вычисления которой воспользуемся выражением, полученным из формулы для определения индукции на оси цилиндрической катушки с током, выведенной в примере 212а [6]:

д ОБМ _^ОБМИ^__(11)

«ПР =—I . (11)

Ц (0,5/обм ) + (0,5 Аср )

Далее, подставляя (10) в формулу (11), получим

4п(92 * 61000))15,347е-'900 * 23,774е90'7530 ^

>ОБМ __V

*ПР --

ЙОБМ Ч У

--— -

х 10-10 • «ПР -

2V (0,5 • 0,036)2 + (0,5 • 0,01675)2

0,447 • 10-4 е~'90° * 0,0459е-;'90'753°

V

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

«ПР, (12)

где крайние левые значения в скобках соответствуют параметрам обмотки токового реле РТМ-1; крайние правые - указательного реле РУ 21/220. Для сравнения, при использовании обмотки от промежуточного реле РП-251,

«ПБМ - 0,0088е"• «ПР.

Из формулы (12) видно, что магнитное поле в центре на оси обмотки геркона с индукцией «ПР^ составляет около пяти процентов индукции «пр магнитного поля токопроводников фаз.

Заводом-изготовителем для каждого типа герконов в паспортных данных указываются диапазоны намагничивающих сил ^Ср срабатывания и коэффициента возврата (Ад — ^В/^Ср ). Зная эти величины, можно найти напряженность срабатывания и возврата:

Яср — 2л^СР/ 1к , НВ — 2п^в/ 1К , (13)

которые являются постоянными величинами для каждого геркона (/к - длина испытательной обмотки).

Используя закон Био-Савара-Лапласа и зная Н^р в точке, где будет расположен рабочий зазор геркона, можно найти ток в шине, при котором он срабатывает. Однако и этот закон, и формула (13) не предполагают наличие геркона в рассматриваемых точках, а поле от токоведущих шин, принимаемых за бесконечно тонкие длинные прямолинейные проводники, не идентично полю испытательной катушки. Поэтому Н^р и ток в шинах определяются с погрешностями, значения которых, как показали эксперименты [1, 10], находятся в пределах 5^6%.

Как любой трансформатор тока, так и магнитоуправляемый датчик, в том числе и геркон, не должны реагировать на токи, протекающие по соседним фазам защищаемой электроустановки. Для герконов отстройка от этих токов осуществляется выбором координат установки. Например для геркона, реагирующего на ток фазы А, в формуле (1) должно быть

Условие (14) позволяет исключить влияние на геркон токов соседних фаз и при нагрузке, и при трехфазных КЗ. Чтобы в этом убедиться, достаточно подставить (14) в выражение (1). Кроме того, геркон, реагирующий на ток фазы А, должен иметь такую чувствительность, чтобы срабатывать при минимальном двухфазном коротком замыкании между фазами А и В, то есть:

где Нав - напряженность магнитного поля в точке, совпадающей с центром тяжести геркона, созданного током 1ав фаз А и В при коротком замыкании между ними; ц - относительная магнитная проницаемость, для воздуха ц = 1.

Как было доказано в работах [1, 10], и из сказанного выше следует, что расчет по формуле (15) будет выполнен с погрешностью 5^6 %. Кроме того, если на геркон будет намотана обмотка, то относительная погрешность увеличится еще на 5 % (как показал анализ формулы (12) и проведенные лабораторные эксперименты) и составит 10^11 %. Эта же величина справедлива и для защит, построенных не на срабатывании герконов, а на их возврате, поскольку

НВ = кБ • НСР.

Погрешность 11% для преобразователей тока на герконах с обмотками выходит за рамки величины 10%, принятой для трансформаторов тока класса точности 10Р, применяемых в классической релейной защите. Поэтому ее либо необходимо учитывать при построении устройств релейных защит на герконах, либо попытаться снизить, применяя следующие мероприятия:

1) для геркона следует использовать обмотки, намотанные проводом как можно меньшего сечения, это увеличит собственное активное сопротивление

обмотки, уменьшит ток, протекающий в ней, и индукцию В°рМ;

2) использовать усилители с большим входным сопротивлением, что в условиях современного уровня развития техники вполне осуществимо.

ЕБ = ЕС.

(14)

(15)

Выводы

Если на геркон, выполняющий функции измерительного преобразователя тока, намотана обмотка, то нельзя пренебрегать изменениями магнитного поля токопровода, вносимыми этой обмоткой, так как суммарная погрешность определения индукции (напряженности) в точке, совпадающей с центром тяжести геркона, может достигать 11 %.

Summary

Quantitative fault in determining of induction (strength) response and return hermetic contacts is given. The recommendations to reduce its value.

Key words: hermetic contact, tension, induction, current, magnetic field, amplification coefficient, winding, equation, calculation, relay protection.

Литература

1. Клецель М.Я., Мусин В.В. О построении на герконах защит высоковольтных установок без трансформаторов тока // Электротехника. 1987. №4. С.11-13.

2. Клецель М. Я., Майшев П. Н. Особенности построения на герконах дифференциально-фазных защит трансформаторов // Электротехника. 2007. №12. С. 2-7.

3. Клецель М. Я. Принципы построения и модели дифференциальных защит электроустановок на герконах // Электротехника. 1991. № 10. С. 47-50.

4. Фильтры симметричных составляющих для электроустановок с токопроводами фаз по вершинам треугольника / М.Я. Клецель, П.Н. Майшев, М.Т. Токомбаев, А.Б. Жантлесова // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2008.№3-4. С. 76-82.

5. Правила устройства электроустановок. Санкт-Петербург: Деан, 2002.

928 с.

6. Теоретические основы электротехники / Л.А. Бессонов. М.: Высшая школа, 1986.

7. Буртаев Ю. В., Овсянников П. Н. Теоретические основы электротехники. М.: Энергоатомиздат, 1984. 552 с.

8. Белкин В. Г., Бондаренко В. К. и др. Справочник радиолюбителя-конструктора. М.: Радио и связь, 1984. 560 с.

9. Горбачев Г. Н., Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомидат, 1988. 320 с.

10. Клецель М. Я., Алишев Ж. Р., Мануковский А. В., Мусин В. В. Свойства герконов при использовании их в релейной защите // Электричество. 1993. № 9. С. 18-21.

Поступила в редакцию 22 февраля 2011 г

Майшев Павел Николаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета (ПГУ) им. С. Торайгырова. Тел.: 8-701-5303741. E-mail: [email protected].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.