УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ОТ БРОСКОВ ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве защитного устройства от бросков тока при включении трехфазных силовых трансформаторов на холостом ходу.
Известно устройство защиты трансформатора электровоза от бросков тока, содержащее блок задержки, логический элемент «И» и блок синхронизации, причем выход блока синхронизации подключен к входу блока задержки, а выход последнего подключен к входу логического элемента «И» (пат. США №6523654, B60L 9/00).
Недостатком известного устройства является низкая эффективность снижения бросков тока при включении трансформатора вследствие того, что в этом устройстве контролируется только фаза питающего напряжения и время замыкания полюсов автоматического выключателя, а такие параметры как: величина и распределение остаточных индукций по стержням магнитопровода трансформатора не учитываются. В связи с этим, в определенных ситуациях это приводит к возникновению существенных бросков тока, которые негативным образом сказываются на работе и настройке релейной защиты, работе фильтро-компенсирующих устройств, а также вызывают значительные электродинамические усилия в обмотках трансформатора и коммутационные перенапряжения, что приводит впоследствии к сокращению срока силового оборудования и коммутационной аппаратуры.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является устройство синхронизации автоматического выключателя, описанное в способе снижения токов включения при многократных коммутациях трансформатора, содержащее блок, задающий величину собственного времени срабатывания автоматического выключателя, блок синхронизации, блок задержки и логический элемент «И», первый вход которого соединен с выходом блока задержки, второй вход соединен с выходом блок-контакта, формирующим и подающим сигнал «включение», третий вход подключен к блоку контроля состояния полюсов вакуумного выключателя, а выход логического элемента «И» соединен с входом системы управления приводом полюсов, при этом выход блока синхронизации подключен к первому входу блока задержки (пат. РФ №2093943, Н02Н 9/02).
Данное устройство обладает рядом недостатков. Во-первых, размыкание полюсов автоматического выключателя в расчетный момент времени при заданном коэффициенте мощности не всегда обеспечивает одно и тоже распределение остаточных индукций в стержнях магнитопровода, поскольку полное погасание дуги в автоматическом выключателе может происходить не только при первом прохождении тока через нулевое значение, но и при втором прохождении. Причем вероятность процесса погасания дуги зависит от типа, конструкции и технологии изготовления автоматического выключателя, скорости движения подвижного контакта, значений отключаемого тока и восстанавливающего напряжения. Таким образом, распределение остаточных индукций при использовании алгоритма выключения силового трехфазного трансформатора, реализованном в прототипе, может изменяться в зависимости от типа автоматического выключателя (вакуумный, элегазовый и др.) и величины вторичной нагрузки трансформатора (при неизменном ее коэффициенте мощности). Во-вторых, выключение автоматического выключателя может происходить при наличии несимметричной нагрузки на вторичной стороне силового трехфазного трансформатора (например, при отключении трехфазного электропечного трансформатора), что из-за разного значения амплитуд фазных токов приводит к иному распределению остаточных индукций, нежели при симметричной нагрузке. Таким образом, алгоритм замыкания полюсов автоматического выключателя в момент максимума базового (опорного) напряжения, реализованный в прототипе, не всегда обеспечивает отсутствие бросков тока при включении силового трехфазного трансформатора, при этом вероятность отсутствия бросков тока будет зависеть не только от разброса времени собственного срабатывания автоматического выключателя, но и времени горения дуг между полюсами выключателя при их размыкании, которое обусловлено вышеуказанными факторами.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении надежности защиты трехфазного трансформатора от бросков тока путем контроля распределения остаточных индукций в стержнях магнитопровода, независимо от момента размыкания полюсов автоматического выключателя и коэффициента мощности нагрузки.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве защиты трехфазного трансформатора от бросков тока, содержащем блок, задающий величину собственного времени срабатывания автоматического выключателя, блок синхронизации, блок задержки и логический элемент «И», первый вход которого соединен с выходом блока задержки, второй вход соединен с выходом блок-контакта, формирующим и подающим сигнал «включение», третий вход подключен к блоку контроля состояния полюсов вакуумного выключателя, а выход логического элемента «И» соединен с входом системы управления приводом полюсов, при этом выход блока синхронизации подключен к первому входу блока задержки, согласно изменению, оно снабжено блоком расчета линейных напряжений, блоком выбора базового линейного напряжения, блоком расчета остаточных индукций, блоком определения двух максимальных модулей остаточных индукций, блоком расчета времени задержки, причем первый, второй и третий входы блока расчета линейных напряжений подключены к измерительным цепям, формирующим сигналы пропорциональные линейным напряжениям источника питания, а первый, второй и третий выходы блока расчета линейных напряжений соединены с первым, вторым и третьим входами блока выбора базового линейного напряжения, у которого четвертый и пятый входы подключены к четвертому и третьему выходам блока определения двух максимальных модулей остаточных индукций, а выход - к входу блока синхронизации, первый, второй и третий входы блока расчета остаточных индукций подключены к измерительным цепям, формирующим сигналы пропорциональные фазным напряжениям первичной обмотки трансформатора, а первый, второй и третий выходы блока расчета остаточных индукций соединены с первым, вторым и третьим входами блока определения двух максимальных модулей остаточных индукций, у которого первый и второй выходы подключены к первому и второму входам блока расчета времени задержки, третий вход которого соединен с выходом блока, задающим величину собственного времени срабатывания автоматического выключателя, а выход блока расчета времени задержки соединен со вторым входом блока задержки.
В заявляемом устройстве за счет введения дополнительных блоков включение ненагруженного трансформатора без бросков токов производится при любом распределении остаточных индукций независимо от момента размыкания полюсов автоматического выключателя, коэффициента мощности и характера нагрузки трансформатора.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг.1 представлены схема устройства защиты трехфазного трансформатора от бросков тока и электрическая схема трехфазного трансформатора с автоматическим выключателем, нагрузкой, источником питания и измерительными цепями;
на фиг.2 изображена временная диаграмма, иллюстрирующая работу логических элементов устройства;
на фиг.3 представлены временные диаграммы мгновенных значений линейных напряжений источника питания;
на фиг.4 представлены временные диаграммы магнитных индукций в стержнях магнитопровода трансформатора до и после замыкания полюсов автоматического выключателя;
на фиг.5 представлены временные диаграммы фазных токов первичной обмотки трансформатора при замыкании полюсов автоматического выключателя.
Устройство защиты трехфазного трансформатора от бросков тока содержит блок, задающий величину собственного времени срабатывания автоматического выключателя 1 (фиг.1), блок синхронизации 2, блок задержки 3, логический элемент «И» 4, первый вход которого соединен с выходом блока задержки 3, второй вход - соединен с выходом блок - контакта 5, формирующим и подающим сигнал «включение», третий вход подключен к блоку контроля состояния полюсов вакуумного выключателя 6, а выход логического элемента «И» 4 соединен с входом системы управления приводом полюсов автоматического выключателя 7, которая осуществляет замыкание и размыкание полюсов автоматического выключателя 8, при этом выход блока синхронизации 2 подключен к первому входу блока задержки 3. Также устройство снабжено блоком расчета линейных напряжений 9, блоком выбора базового линейного напряжения 10, блоком определения двух максимальных модулей остаточных индукций 11, блоком расчета остаточных индукций 12, блоком расчета времени задержки 13, причем первый, второй, третий входы блока расчета линейных напряжений 9 подключены к измерительным цепям, формирующим сигналы пропорциональные линейным напряжениям источника питания, которые состоят из датчиков напряжения 14, 15, 16, входы последних подключены к выводам вторичных обмоток измерительных трансформаторов напряжения 17, 18, 19, у которых выводы первичных обмоток подключены на фазные напряжения источника питания 20. Первый, второй и третий выходы блока расчета линейных напряжений 9 подключены к первому, второму и третьему входам блока выбора базового линейного напряжения 10, у которого четвертый и пятый входы подключены к третьему и четвертому выходам блока определения двух максимальных модулей остаточных индукций 11, а выход - подключен на вход блока синхронизации 2. Первый, второй и третий входы блока расчета остаточных индукций 12 подключены к измерительным цепям, формирующим сигналы пропорциональные фазным напряжениям первичной обмотки трансформатора, которые состоят из датчиков напряжения 21, 22, 23, подключенных к выводам вторичных обмоток измерительных трансформаторов напряжения 24, 25, 26, у которых выводы первичных обмоток подключены на фазные напряжения силового трехфазного трансформатора 27, питающего нагрузку 28. Первый, второй и третий выходы блока расчета остаточных индукций 12 подключены к первому, второму и третьему входам блока определения двух максимальных модулей остаточных индукций 11, у которого первый и второй выходы подключены к первому и второму входам блока расчета времени задержки 13, третий вход которого подключен к блоку, задающему величину собственного времени срабатывания автоматического выключателя 1. Выход блока расчета времени задержки 13 соединен со вторым входом блока задержки 3.
Работает устройство следующим образом.
a
b
c
а ост
а ост
с ост
cр
зад
После размыкания полюсов автоматического выключателя 8 остаточные индукции в стержнях магнитопровода трехфазного трансформатора 27 распределяются случайным образом, причем их величины определяются по известным математическим зависимостям, приведенным в источнике (см. Бессонов Л.А. «Теоретические основы электротехники» 1961, 792 стр.) и фиксируются в блоке расчета остаточных индукций 12. После спадания фазных токов i, i, i до нуля остаточные значения индукций запоминаются и передаются на первые три входа блока определения двух максимальных модулей остаточных индукций 11, в котором осуществляются две операции: определение из сигналов B, В, В, максимального модуля остаточной индукции  и знака максимальной индукции sign, а также определение номеров двух фаз N1 и N2, в которых модули остаточных индукций максимальны по отношению к модулю остаточной индукции третьей фазы, причем фазе а соответствует номер «1», фазе b - номер «2», фазе с - номер «3». Далее сигналы  и sing с первого и второго выходов блока определения двух максимальных модулей остаточных индукций 11 поступают на первые два входа блока расчета времени задержки 13, который с учетом времени собственного срабатывания автоматического выключателя Т, задаваемого на третий вход, рассчитывают время задержки Т в по расчетным зависимостям, полученным в ходе теоретических исследований:
max
где В - значение амплитуды магнитной индукции при номинальном напряжении в относительных единицах;
ост max
B - максимальная величина остаточной индукции в стержнях магнитопровода, в относительных единицах;
c
f - частота питающего напряжения, Гц;
ср
Т - среднее время срабатывания автоматического выключателя.
баз
В то же время сигналы N1 и N2 с третьего и четвертого выходов блока определения двух максимальных модулей остаточных индукций 11 поступают на четвертый и пятый входы блока выбора базового линейного напряжения 10, который формирует на выходе базовое линейное напряжение u в соответствии со следующим условием:
AB
BC
CA
A
B
C
л.баз
1
1
зад
2
y
Таким образом, блок выбора базового линейного напряжения 10 выбирает и формирует на выходе сигнал, пропорциональный одному из трех линейных напряжений источника питания 20, которое соответствует двум фазам, имеющим максимальные по модулю остаточные индукции. Сигналы, пропорциональные мгновенным значениям линейных напряжений источника питания u, u и u, поступающие на первые три входа блока выбора базового линейного напряжения 10, рассчитываются в блоке расчета линейных напряжений 9 по известным математическим зависимостям, приведенным в источнике (см. Бессонов Л.А. «Теоретические основы электротехники» 1961, 792 стр.). В свою очередь, сигналы u, u, и u поступают с выходов датчиков напряжения 14, 15, 16, которые осуществляют гальваническую изоляцию измерительных цепей с электрическими цепями устройства и согласовывают уровень напряжения на вторичных обмотках измерительных трансформаторов напряжения 17, 18, 19 с рабочим уровнем напряжения устройства. Базовое линейное напряжение u поступает на вход блока синхронизации 2, который формирует короткий импульс u в момент начала положительной полуволны базового линейного напряжения. Импульс u поступает на первый вход блока задержки 3, который передает сигнал на выход с задержкой, величина которой определяется сигналом T, подаваемым на второй вход блока задержки 3. Выходной сигнал блока задержки 3 u поступает на первый вход логического элемента «И» 4, который разрешает его прохождение при выполнении двух условий: при наличии команды на замыкание полюсов автоматического выключателя (на втором входе логического элемента «И» 4 сигнал «включение» равен «1»), и при разомкнутых полюсах автоматического выключателя (на третьем входе логического элемента «И» 4 сигнал «состояние полюсов» равен «1»). Выходной сигнал u логического элемента «И» 4 поступает на вход системы управления приводом полюсов автоматического выключателя 7, который формирует управляющий сигнал для привода полюсов выключателя на их замыкание.
0
a
b
c
a ост
b ост
с ост
CA
1
0
2
CA
1
зад
3
2
2
у
ср
4
зад
В момент времени t силовой трехфазный трансформатор отключен от источника питания, фазные токи i, i и i (фиг.2) в первичных обмотках равны нулю, при этом в стрежнях магнитопровода присутствуют остаточные индукции, значения которых (фиг.3) в относительных единицах равны: В=-0,52, В=-0,36 и В=0,88. При данном распределении остаточных индукций, в качестве базового, в соответствии с описанным выше алгоритмом, принимается линейное напряжение u (фиг.4). В момент времени t в устройство подается сигнал «включение», равный «1», который поступает на второй вход логического элемента «И» 4 (фиг.5). По истечении времени Т в момент перехода t базового напряжения u через нуль из отрицательной полуволны в положительную, импульс u с выхода блока синхронизации 2 поступает на первый вход блока задержки 3. На выходе блока задержки 3 через время T, величина которого рассчитывается в блоке расчета времени задержки 13, в момент t формируется сигнал на замыкание полюсов выключателя u, равный «1», который поступает на первый вход логического элемента «И» 4. При наличии на втором и третьем входах логического элемента «И» 4 сигналов «включение» и «состояние полюсов», равных «1», на выходе блока, одновременно с появлением сигнала u, формируется выходной сигнал u, поступающий в систему управления приводом полюсов автоматического выключателя 7. По истечении времени собственного срабатывания автоматического выключателя T, в момент t происходит замыкание его полюсов, в результате чего к первичной обмотке трансформатора прикладывается напряжение источника питания. Сигналы «включение» и «состояние полюсов» становятся равными «0». В соответствии с алгоритмом вычисления времени задержки Т и выбора базового напряжения обеспечивается изменение индукции в стержнях трансформатора таким образом, что амплитуды токов в обмотках трансформатора не превышают амплитуду тока холостого хода.
4
В случае отклонения момента замыкания полюсов автоматического выключателя в пределах ±0,0033 с от расчетного времени t, эффективность устройства снижается, при этом амплитуды токов при включении достигают номинального значения.
Проверка адекватности работы заявляемого устройства защиты трехфазного трансформатора от бросков тока осуществлялась с помощью специально разработанной математической модели трехфазного трансформатора с учетом явления гистерезиса, реализованной в среде Matlab 7.2 с помощью пакета Simulink 6.4. Кроме этого работа устройства проверялась экспериментально на лабораторном стенде с использованием силового трехфазного трансформатора мощностью 6 кВА (тип ТСТ 6/0,208).
Благодаря такому конструктивному выполнению заявляемого устройства достигается контроль за распределением остаточной индукции и формирование сигнала на замыкание вакуумного выключателя осуществляется уже с учетом фактического распределения остаточной индукции в стержнях магнитопровода трансформатора.
Таким образом, заявляемое устройство защиты трехфазного трансформатора от бросков тока по сравнению с прототипом позволяет повысить надежность защиты трехфазного трансформатора от бросков тока путем контроля распределения остаточных индукций в стержнях магнитопровода, независимо от момента размыкания полюсов автоматического выключателя и коэффициента мощности нагрузки.