ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ШИН
MEASURING DEVICE OF DIFFERENTIAL CURRENT PROTECTION OF BUSES

Изобретение относится к электротехнике, а именно к схемам защиты электрических линий, машин и приборов, в частности к схемам защиты, реагирующим на разность токов.
Известно измерительное устройство дифференциальной токовой защиты трехфазной системы шин, выполненное по схеме с циркулирующими токами. Это устройство содержит три группы трансформаторов тока, по одной группе на каждую фазу защищаемой системы шин. Число трансформаторов тока, которые включены последовательно с токопроводами питающих и отходящих линий, подключенных к защищаемой системе шин, в каждой группе равно общему числу всех таких линий. Все трансформаторы тока всех групп имеют одинаковые коэффициенты трансформации и отделены от защищаемых шин контактами выключателей соответствующих линий. Все концы вторичных обмоток трансформаторов тока всех групп подключены к общему для устройства нулевому зажиму. Все начала вторичных обмоток трансформаторов тока каждой группы подключены к соответствующему фазному выходному зажиму устройства, число таких зажимов равно числу групп трансформаторов тока. К каждому из этих зажимов и к общему нулевому зажиму устройства подключены дифференциальные реле, по одному на каждую фазу защищаемой системы шин. В качестве дифференциальных реле используются реле тока. Зона действия дифференциальной токовой защиты шин ограничена точками расположения трансформаторов тока, входящих в измерительное устройство этой защиты. Если не учитывать погрешности трансформаторов тока, то при первичных токах трансформаторов тока, направленных к шинам, токи дифференциальных реле каждой фазы равны сумме фазных токов всех линий, приведенной к вторичным обмоткам трансформаторов тока делением на коэффициент трансформации трансформаторов тока. Тогда в соответствии с первым законом Кирхгофа в нормальных режимах работы и при внешних коротких замыканиях эта сумма равна нулю, и дифференциальная защита не работает. При коротких замыканиях в зоне защиты (на шинах) указанная сумма равна приведенной к вторичным обмоткам трансформаторов тока сумме токов, притекающих к месту повреждения, и реле срабатывают, что приводит к отключению выключателей тех линий, которые питают защищаемые шины (см. Чернобровов Н.В. Релейная защита. - М.: Энергия, 1974, с.639-642, рис.19-2).
Главные недостатки этого устройства определяются тем, что в качестве измерительных преобразователей тока в устройстве использованы трансформаторы тока. Это, прежде всего, большая суммарная масса всех трансформаторов тока, входящих в устройство. В наибольшей мере этот недостаток проявляется у высоковольтных проходных трансформаторов тока, и тем сильнее, чем выше напряжение защищаемой системы шин. У таких трансформаторов сопротивление короткого замыкания, приведенное к вторичной обмотке, во много раз больше номинального сопротивления нагрузки. Магнитная индукция в сердечнике силовых трансформаторов примерно на порядок превосходит магнитную индукцию в сердечнике трансформатора тока при номинальных значениях первичного тока и сопротивления нагрузки. При этом удельная масса трансформатора тока, приходящаяся на единицу мощности нагрузки трансформатора, в тысячи и более раз превосходит аналогичный показатель силового трансформатора, при том же напряжении первичной обмотки. Кроме того, при больших значениях токов внешних коротких замыканий дифференциальная токовая защита, содержащая указанное измерительное устройство, работает неправильно: она без выдержки времени отключит выключатели питающих линий, обесточив тем самым потребители, подключенные к отходящим линиям. Вместо нее должна срабатывать токовая отсечка без выдержки или с выдержкой времени и отключать выключатель на поврежденной линии. Причина этого, весьма существенного, недостатка заключается в наличии у трансформатора тока магнитного сердечника, который, при прохождении по первичной обмотке большого тока короткого замыкания, сильно насыщается. В основном, такое насыщение вызывается наличием апериодической составляющей тока короткого замыкания. При этом многократно возрастает намагничивающий ток, приведенный к вторичной обмотке трансформатора. Этот ток становится соизмеримым с приведенным к вторичной обмотке током первичной обмотки трансформатора тока. Таким образом, при сильном насыщении магнитного сердечника трансформатор уже существенно отличается от идеального измерительного преобразователя тока. Апериодическая составляющая оказывает наибольшее влияние на трансформаторы тока поврежденной линии, так как через эти трансформаторы проходит суммарный ток короткого замыкания (помимо токов от питающих линий к точке короткого замыкания проходят и токи подпитки от остальных присоединений). Ток дифференциального реле при внешнем коротком замыкании из-за насыщения трансформаторов тока уже не близок к нулю. Он равен приведенному к вторичной обмотке току намагничивания трансформатора тока поврежденной линии, за вычетом суммы приведенных же к вторичным обмоткам трансформаторов намагничивающих токов трансформаторов тока остальных линий, охваченных дифференциальной защитой. Известные способы уменьшения этого вредного действия, которое вызывается насыщением трансформаторов тока при внешних коротких замыканиях, направлены на повышение чувствительности и селективности дифференциальной токовой защиты шин. К ним, например, относится введение промежуточных быстронасыщающихся трансформаторов тока. Такой способ приводит к дополнительному недостатку - задержке в срабатывании защиты на 0,03-0,05 с, но полностью не исключает возможность неверного срабатывания защиты. При этом устройство-аналог воздействует не на одно реле, а на такое их число, которое равно числу групп трансформаторов тока, установленных в устройстве. Это приводит к усложнению и удорожанию дифференциальной токовой защиты шин.
Известно также измерительное устройство дифференциальной токовой защиты трехфазной системы шин, содержащее три группы последовательно включенных катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока, по одной группе на каждую фазу защищаемой системы шин, при этом в каждой группе каждая из указанных катушек индуктивно связана с одним из тех токопроводов фазы, соответствующей этой группе, через которые к защищаемой системе шин подключены питающие и отходящие линии, число таких катушек в каждой группе равно общему числу всех этих линий, а все указанные катушки всех групп расположены на тороидах, выполненных из немагнитного изоляционного материала и насаженных на соединительные втулки тех высоковольтных вводов выключателей указанных линий, которые отделены от защищаемых шин контактами этих выключателей, и имеют одинаковые взаимные индуктивности с соответствующими этим катушкам токопроводами высоковольтных вводов, в каждой группе начало каждой последующей катушки, кроме первой, подключено к концу предыдущей катушки, концы последних катушек всех групп подключены к общему нулевому зажиму, а начала первых катушек каждой группы и общий нулевой зажим соединены с выходными зажимами устройства (см. Атабеков Г.И. Теоретические основы релейной защиты высоковольтных сетей. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1957, с.315, 316, фиг.9-25).
К недостаткам прототипа можно отнести недостаточную помехозащищенность. В катушках дифференцирующих индукционных преобразователей тока могут наводиться ЭДС от посторонних (созданных не измеряемым, а токами других проводников, не проходящих через окна катушек) переменных магнитных потоков, сцепленных с витками катушек. Эти ЭДС могут привести защиту шин к ложному срабатыванию. Любой мешающий магнитный поток можно разложить на две составляющие. Первая составляющая проходит через окно катушки, подобно проводнику с измеряемым током. Векторы магнитной индукции этой составляющей перпендикулярны плоскости, проходящей через осевую линию катушки. При этом вся катушка ведет себя как один виток, в котором наводится мешающая ЭДС, равная производной сцепленной с этим витком первой составляющей мешающего магнитного потока. Избавиться от первой составляющей мешающего магнитного потока с помощью магнитного экрана нельзя: этому препятствует расположение катушки на соединительных втулках высоковольтных вводов. Большая площадь окна катушки позволяет получить высокое значение мешающей ЭДС от сравнительно малых магнитных потоков. Векторы магнитной индукции второй составляющей мешающего магнитного поля параллельны указанной плоскости, проходящей через осевую линию катушки, как и у магнитного поля, созданного измеряемым током. В одних витках катушки индукционного преобразователя, расположенных ближе к токопроводу с мешающим током, вторая составляющая магнитного потока наводит ЭДС одного направления, а в других, расположенных дальше от токопровода с мешающим током, - ЭДС противоположного направления. Для катушки, намотанной на тороиде идеальной формы, с одинаковой для всех витков площадью витка и постоянным шагом намотки сумма ЭДС всех витков равна нулю в любой момент времени. У концов реальной катушки равномерность намотки нарушена, так как между находящимися рядом концом и началом катушки имеется участок тороида, не покрытый витками катушки. Поэтому сумма этих ЭДС не равна нулю. При близком расположении токопровода с мешающим током и большом значении этого тока (при коротком замыкании в находящемся на близком расстоянии, например оборванном, постороннем проводнике или при разряде молнии) такая суммарная ЭДС может привести к ложному срабатыванию защиты. Для снижения значения этой ЭДС используют известное решение - минимизируют длину необмотанного участка тороида, на котором размещена катушка. Из-за наличия мешающих ЭДС приходится уменьшать чувствительность защиты: уставка ее срабатывания должна превышать наибольшие возможные значения этих ЭДС. При этом защита не может реагировать на начальную стадию нарушения изоляции в защищаемой системе шин, когда в зоне защиты между фазами или на землю проходят небольшие токи. Защита сработает при развитом повреждении, когда короткое замыкание сопровождается электрической дугой. При этом объем повреждений, трудоемкость и стоимость ремонта возрастают.
Помимо погрешностей измерения, связанных с наличием мешающих магнитных потоков, для дифференцирующих индукционных преобразователей характерны еще две погрешности, вызванные отклонением расположения плоскости осевой линии катушки и ее осевой линии, направленной перпендикулярно этой плоскости, от идеального положения. Первая из них вызвана отклонением оси токопровода с измеряемым током от прямой, перпендикулярной плоскости осевой линии и проходящей через точку пересечения оси токопровода с этой плоскостью. Вторая погрешность, которая имеет место только в случае неравномерного распределения витков катушки вдоль ее осевой линии, вызвана смещением центра осевой линии катушки от оси токопровода с измеряемым током. К случаю неравномерного распределения витков относится и наличие у тороидального каркаса необмотанного промежутка. Для рассматриваемого расположения этого каркаса на соединительной втулке высоковольтного ввода обе эти погрешности ничтожно малы и не приводят к какому-либо заметному отличию суммарной ЭДС всех катушек одной фазной группы от нулевого значения при исправном состоянии защищаемой системы шин. Такое замечание справедливо при условии, что длина необмотанных участков каркаса много меньше длины участков покрытых витками катушки.
Для устранения ЭДС, которые могут наводиться в проводах, соединяющих катушки дифференцирующих индукционных преобразователей с другими элементами защиты, используют известное решение - указанные соединения выполняют коаксиальным экранированным проводом.
Так как катушка дифференцирующего индукционного преобразователя должна иметь строго равномерную намотку и малый необмотанный участок тороидального каркаса, на котором расположена катушка, то технология и трудоемкость изготовления таких катушек усложнены. Затруднена и установка катушки на штатное место расположения. Чтобы надеть катушку на соединительную втулку высоковольтного ввода выключателя, необходимо отсоединить провод коммутируемой этим выключателем линии от указанного ввода. Кроме того, внутренний диаметр катушки должен быть больше наибольшего наружного диаметра верхней фарфоровой покрышки высоковольтного ввода. Этот диаметр значительно превышает наружный диаметр соединительной втулки. Из-за этого размеры, масса и стоимость катушки увеличены по сравнению с показателями, которых можно достигнуть при выполнении условия: внутренний диаметр катушки практически равен наружному диаметру соединительной втулки.
Также к недостаткам прототипа можно отнести то, что устройство предназначено для подключения к его выходам не одного, а нескольких каналов (реле, аналого-цифровых преобразователей и т.п.), предназначенных для получения информации о повреждении защищаемой системы шин и выработки сигналов на отключение выключателей питающих линий.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является улучшение показателей устройства дифференциальной токовой защиты шин.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении чувствительности защиты и обеспечении тем самым отключения шин от источников напряжения на первой стадии повреждения изоляции шин, путем уменьшения ЭДС, которые наводятся в катушках дифференцирующих индукционных преобразователей тока первыми и вторыми составляющими мешающих переменных магнитных полей и снижении стоимости дифференциальной токовой защиты шин путем упрощения технологии изготовления и монтажа катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока, уменьшения длины осевой линии катушек и сокращения числа каналов, которые подключаются к выходам измерительного устройства этой защиты и предназначены для получения информации о повреждении защищаемой системы шин и выработки сигналов на отключение выключателей питающих линий.
Поставленная задача достигается тем, что в измерительное устройство дифференциальной токовой защиты трехфазной системы шин, содержащее три группы последовательно включенных катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока, по одной группе на каждую фазу защищаемой системы шин, при этом в каждой группе каждая из указанных катушек индуктивно связана с одним из тех токопроводов фазы, соответствующей этой группе, через которые к защищаемой системе шин подключены питающие и отходящие линии, число таких катушек в каждой группе равно общему числу всех этих линий, а все указанные катушки всех групп расположены на тороидах, выполненных из немагнитного изоляционного материала и насаженных на соединительные втулки тех высоковольтных вводов выключателей указанных линий, которые отделены от защищаемых шин контактами этих выключателей, и имеют одинаковые взаимные индуктивности с соответствующими этим катушкам токопроводами высоковольтных вводов, в каждой группе начало каждой последующей катушки, кроме первой, подключено к концу предыдущей катушки, концы последних катушек всех групп подключены к общему нулевому зажиму, а начала первых катушек каждой группы и общий нулевой зажим соединены с выходными зажимами устройства, введен четырехфазный мостовой выпрямитель, выходные зажимы которого являются выходными зажимами устройства, а начала первых катушек всех групп и общий нулевой зажим подключены по одному к входным зажимам упомянутого мостового выпрямителя, тороиды, на которых расположены указанные катушки, изготовлены из эластичных стержней, концы которых стыкуют друг с другом при монтаже катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока на соединительных втулках вводов выключателей, все эти катушки выполнены в виде нескольких одинаковых секций, равномерно размещенных вдоль указанных тороидов, каждая из секций имеет два слоя, внутренний и наружный, при этом в каждой секции витки секционных обмоток одного из этих слоев намотаны по правилу правого винта, а другого - по правилу левого винта, каждая из катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока разделена на две части, в первую из которых входят все секционные обмотки внутреннего слоя, а во вторую - все секционные обмотки наружного слоя, причем начала каждой, кроме первой, секционных обмоток каждого слоя соединены с концом секционных обмоток предыдущих секций, концы последних секционных обмоток обоих слоев соединены друг с другом, начало первой секционной обмотки внутреннего слоя является началом каждой катушки дифференцирующих индукционных преобразователей тока, а начало первой секционной обмотки наружного слоя является концом каждой из этих катушек.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи.
Признаки: «…в устройство введен четырехфазный мостовой выпрямитель, выходные зажимы которого являются выходными зажимами устройства, а начала первых катушек всех групп и общий нулевой зажим подключены по одному к входным зажимам упомянутого мостового выпрямителя…» позволяют сократить число каналов, которые подключаются к выходам измерительного устройства этой защиты и предназначены для получения информации о повреждении защищаемой системы шин и выработки сигналов на отключение выключателей питающих линий.
Признаки «…тороиды, на которых расположены указанные катушки, изготовлены из эластичных стержней, концы которых стыкуют друг с другом при монтаже катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока на соединительных втулках вводов выключателей, все эти катушки выполнены в виде нескольких одинаковых секций, равномерно размещенных вдоль указанных тороидов…» позволяют упростить технологию изготовления и монтажа катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока. Одинаковые короткие секции катушек равномерно распределяют вдоль эластичных стержней, чем обеспечивается равенство зазоров между катушками, выводы секций соединяются в необходимом порядке. Затем эластичные стержни вместе с катушками огибают вокруг соединительных втулок высоковольтных вводов выключателей, а концы этих стержней стыкуют друг с другом и закрепляют в этом положении. При выполнении этих операций не требуется отсоединять провода коммутируемых этими выключателями линий от вводов выключателей. Катушки плотно насаживаются на соединительные втулки. Длина осевых линий катушек, а следовательно, их масса и стоимость минимальны.
Признаки «…все эти катушки выполнены в виде нескольких одинаковых секций, равномерно размещенных вдоль указанных тороидов, каждая из секций имеет два слоя, внутренний и наружный, при этом в каждой секции витки секционных обмоток одного из этих слоев намотаны по правилу правого винта, а другого - по правилу левого винта, каждая из катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока разделена на две части, в первую из которых входят все секционные обмотки внутреннего слоя, а во вторую - все секционные обмотки наружного слоя, причем начала каждой, кроме первой, секционных обмоток каждого слоя соединены с концом секционных обмоток предыдущих секций, концы последних секционных обмоток обоих слоев соединены друг с другом, начало первой секционной обмотки внутреннего слоя является началом каждой катушки дифференцирующих индукционных преобразователей тока, а начало первой секционной обмотки наружного слоя является концом каждой из этих катушек…» позволяют уменьшить влияние мешающих переменных магнитных потоков и уменьшить диаметр витков катушки. Обмотки внутренних и наружных секций расположены друг от друга на расстоянии, которое немногим больше диаметра обмоточного провода этих обмоток. Взаимные индуктивности этих обмоток с расположенным вне катушки дифференцирующего индукционного преобразователя тока токопроводом мешающего тока практически равны друг другу. По отношению к первой составляющей мешающего магнитного потока обмотки внутренних и наружных секций эквивалентны двум виткам, в которых этим потоком наводятся практически одинаковые по своему абсолютному значению две ЭДС противоположного направления.
Двухслойная катушка лучше защищена от влияния первой составляющей переменного мешающего магнитного потока. Отличие в размерах внутренней и наружных концентрических спиралей не превосходит 1-2 мм, тогда как диаметр их общей осевой линии превышает 0,5 м, следовательно, относительное значение разности магнитных потоков первой составляющей, которые сцеплены с этими двумя спиралями, пренебрежимо мало. Поэтому обе ЭДС, которые наводятся в этих спиралях, практически полностью компенсируют одна другую.
Предлагаемая конструкция катушки, имеющей много равномерно распределенных вдоль эластичного тороида секций, разделенных небольшими участками, не покрытыми витками катушки, лучше защищена от влияния и второй составляющей мешающего магнитного потока. Это утверждение подтверждается результатами теоретических и экспериментальных исследований, выполненных авторами. Установлено, что увеличение числа секций приводит к быстрому уменьшению влияния мешающего тока, тем сильнее, чем больше расстояние до мешающего проводника с током и меньше длина участков, не покрытых витками катушки. Переход от однослойной катушки к двухслойной дает еще один положительный результат: позволяет, при сохранении длины осевой линии катушки, уменьшить площадь сечения витков катушки в два раза, а размеры ее поперечного сечения - в  раз. Общее сокращение массы катушки сопровождается, однако, увеличением общей длины обмоточного провода в  раз.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена однолинейная принципиальная схема измерительного устройства дифференциальной токовой защиты трехфазной системы шин. На фиг.2 - схема конструкции катушки дифференцирующего индукционного преобразователя тока. На фиг.3-6 - графики мгновенных значений выраженных в относительных единицах тока короткого замыкания, возникшего в зоне действия дифференциальной токовой защиты, и соответствующего этому току выходного напряжения устройства. Графики на фиг.3 и фиг.4 относятся к следующим случаям: при однофазном и двухфазном токе короткого замыкания, при начальном угле периодической составляющей тока короткого замыкания  (фиг.3) и  (фиг.4); фиг.5 и фиг.6 - при трехфазном токе короткого замыкания.
Защищаемая трехфазная система шин 1 подключена к источнику напряжения с помощью питающей линии 2 и выключателя 3 этой линии (в общем случае количество питающих линий может быть больше одной). К шинам 3 через выключатели 4 подключены отходящие линии 5. Измерительное устройство дифференциальной токовой защиты шин содержит дифференцирующие индукционные преобразователи 6 (для питающей линии) и 7 (для отходящих линий) тока. Общее число дифференцирующих индукционных преобразователей 6 и 7 для каждой фазы шин равно общему числу линий 2 и 5. Эти преобразователи состоят из токопроводов (центральных труб) 8 (для питающей линии) и 9 (для отходящих линий) высоковольтных вводов выключателей 3 и 4 и охватывающих эти трубы катушек 10 (для питающей линии) и 11 (для отходящих линий). Катушки помещаются на втулках, соединяющих фарфоровые покрышки высоковольтных вводов. Для каждой фазы все катушки, индуктивно связанные с токопроводами этой фазы, образуют фазную группу катушек. Все катушки в каждой группе соединены последовательно, причем начало каждой последующей катушки 11, кроме первой катушки 10, подключено к концу предыдущей катушки. Концы последних катушек всех групп подключены к общему нулевому зажиму 12. Начала первых катушек 10 всех групп и общий нулевой зажим 12 подключены по одному к входным зажимам 13 четырехфазного мостового выпрямителя 14. Выходные зажимы 15 мостового выпрямителя 14 являются выходными зажимами устройства.
1
2
На фиг.2 дана развертка разреза катушки 10 или 11 дифференцирующего индукционного преобразователя. Разрез выполнен цилиндром, ось которого совпадает с осью этой катушки, а диаметр цилиндра равен диаметру D осевой линии 16 катушки. Катушка состоит из n двухслойных секций (секционных катушек) 17, равномерно размещенных вдоль немагнитного тороида 18, выполненного на основе эластичного стержня. Длина секций и расстояние между ними равны соответственно а и b. Стыковочные поверхности 19, находящиеся на концах эластичного стержня, плотно соединяются одна с другой при установке катушки на соединительную втулку высоковольтного ввода выключателя. Общее число витков катушки - w. Обмотки внутреннего 20 и внешнего 21 слоев каждой секции имеют одинаковый шаг. Как показано на фиг.2, секционные обмотки внутреннего слоя намотаны по правилу правого винта, а наружного - по правилу левого винта (возможен и другой вариант: внутренний слой намотан по правилу левого винта, а наружный - по правилу правого винта). Число витков каждой из этих обмоток равно . Тороид 18 может иметь различную форму поперечного сечения, например прямоугольную или круглую. Каждая из этих, и возможных других, форм имеет свои достоинства и недостатки. Применение катушки с каркасом кругового сечения позволяет уменьшить расход обмоточного провода. Тонкая секционная круговая катушка наиболее проста в изготовлении. Но она проигрывает катушке с каркасом прямоугольного сечения по возможности жесткого закрепления секций на тороиде 18, когда исключается поворот секции вокруг ее оси 16. Ниже будет рассматриваться конструкция секционной катушки с каркасом кругового сечения. Диаметры осевых линий витков обмоток внутреннего и внешнего слоев равны соответственно d и d. Средний диаметр витка катушки равен  Все обмотки каждого слоя соединены последовательно. При этом начала 22 обмоток всех секций 17, кроме первой, подключены к концам 23 предыдущих секций. Концы 24 последних секционных обмоток обоих слоев соединены друг с другом. Начало 25 первой секционной обмотки внутреннего слоя подключено к началу 26 катушки дифференцирующего индукционного преобразователя тока, а начало 27 первой секционной обмотки наружного слоя подключено к концу 28 этой катушки.
Измерительное устройство дифференциальной токовой защиты шин, принципиальная схема которого показана на фиг.1, работает следующим образом. Взаимную индуктивность М трубы высоковольтного ввода с катушкой дифференцирующего индукционного преобразователя, насаженной на соединительную втулку этого ввода, можно, с высокой точностью, определить упрощенным выражением:
0
l
d
-7
D
в котором µ=4π·10 Гн/м - магнитная постоянная, w - средняя плотность намотки катушки - число витков, приходящееся на единицу длины осевой линии катушки, D - диаметр этой линии, S - площадь витка. Для круговых витков  Погрешность выражения (1) уменьшается с ростом отношения /. Она становится меньше 0,25%, когда это отношение превосходит 10. Выражение (1) дает правильный результат, справедливый при любой форме витка, если размеры витков катушки во много раз меньше диаметра D ее осевой линии, и, кроме того, выполняется еще одно условие: ось токопровода с измеряемым током должна совпадать с осью катушки (при этом плоскость осевой линии катушки перпендикулярна оси токопровода). Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные для катушки рассматриваемой конструкции (катушка выполнена из нескольких одинаковых секций, разделенных узкими промежутками), показали следующее. При отклонении плоскости осевой линии катушки от положения, перпендикулярного к оси токопровода, на угол до 5° погрешность выражения (1) не превосходит 1%. Такое же значение погрешности имеет место и при смещении точки пересечения оси токопровода от центра осевой линии катушки на расстояние до 0,6 радиуса этой линии, если длина промежутков между секционными катушками не превышает 1/5 длины катушки. Оба этих условия вполне обеспечиваются при выбранном месте размещения катушки - на соединительной втулке ввода.
Выражение (1) показывает, что для постоянной плотности намотки wl взаимная индуктивность М не зависит от диаметра D осевой линии катушки. Чем меньше D, тем меньше расход обмоточного повода и масса катушки. Следовательно, предлагаемая конструкция катушки с разъемным эластичным каркасом, при которой диаметр окна меньше наибольшего наружного диаметра фарфоровой покрышки высоковольтного ввода, обеспечивает снижение массы катушки.
Ток i, проходящий по токопроводу высоковольтного ввода, наводит в катушке, охватывающей этот токопровод, ЭДС, мгновенное значение е которой пропорционально производной этого тока по времени t:
Токи других проводников, не проходящих через окно катушки, например токи двух других вводов этого же выключателя, токи заземлителей или вихревые токи в корпусе выключателя, создают мешающие магнитные потоки двух составляющих. Первая из них перпендикулярна плоскости осевой линии катушки. Мешающее влияние этой составляющей ничтожно, так как в двух витках, эквивалентных двум катушкам, одна из которых образована обмоткой наружного слоя, а другая - внутреннего, наводятся две мешающих ЭДС, которые практически полностью уравновешивают одна другую. Линии напряженности поля второй составляющей магнитных потоков от мешающих токов лежат в плоскостях, параллельных плоскости осевой линии катушки. Такая составляющая мешающих магнитных потоков может создавать ЭДС, создающую ошибку измерения тока i, только при наличии неравномерностей намотки катушки: шаг намотки не постоянный или имеются необмотанные участки, как в рассматриваемом случае. Благодаря тому, что необмотанных участков не один или два, а значительно больше, а их длина много меньше длины секционных катушек, удается обеспечить пренебрежимо малое значение ЭДС ошибки. Пусть, например, токопровод с мешающим током расположен параллельно токопроводу с измеряемым током на расстоянии, равном диаметру осевой линии катушки, и мешающий ток равен измеряемому, а длина промежутков между секционными катушками не превосходит 1/36 от длины осевой линии катушки. Тогда погрешность измерения становится меньше 0,01%, если число секций не меньше 14.
Катушка дифференцирующего индукционного преобразователя тока не имеет магнитного сердечника, а намотана на тороиде из изоляционного материала. Поэтому в измеренной ЭДС отсутствуют погрешности, связанные с насыщением сердечника, с гистерезисом его кривой намагничивания и с остаточным значением индукции сердечника к моменту начала переходного процесса тока короткого замыкания в защищаемой системе шин, а также с влиянием вихревых токов в сердечнике. Следовательно, справедливость и линейность выражения (2) не нарушаются ни при каких условиях - взаимная индуктивность М является, с практической точки зрения, постоянной величиной (ничтожным влиянием изменения размеров катушки при изменении температуры ее элементов и отклонения этих размеров от средних значений в технологическом процессе серийного производства катушек вполне можно пренебречь).
Таким образом, катушки дифференцирующих индукционных преобразователей тока 10 и 11 предложенной конструкции обеспечивают высокую точность измерения производной тока, проходящего по высоковольтному вводу выключателя. Вполне достижим такой уровень изготовления и монтажа катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока, при котором суммарное, для всех входящих в фазную группу указанных катушек, действующее значение ЭДС помехи не будет превосходить нескольких процентов от действующего значения ЭДС катушки дифференцирующего индукционного преобразователя питающей линии при ее номинальном токе.
j
Примем в качестве условного положительного направление токов линий, которое соответствует направлению стрелок на фиг.1, то есть к защищаемым шинам. Распределенные токи смещения и проводимости, проходящие от элементов защищаемой системы 1 шин к другим участкам электрической цепи, пренебрежимо малы по сравнению с токами, проходящими по линиям. При этом в соответствии с первым законом Кирхгофа сумма токов всех m линий с токами i в нормальных режимах и при внешних, за пределами точек установки дифференцирующих индукционных преобразователей тока, коротких замыканиях равна нулю для каждой фазы:
Если продифференцировать по времени каждое слагаемое выражения (3) и умножить результат на постоянный для всех фаз всех линий сомножитель М, то получим выражение:
В соответствии с выражением (4) в каждой фазе измерительного устройства дифференциальной токовой защиты шин сумма ЭДС, наведенных во всех m катушках 10 и 11 дифференцирующих индукционных преобразователей тока, входящих в это устройство, равна нулю (при пренебрежении малыми значениями ЭДС помех). Следовательно, напряжения, подводимые к входам 13 выпрямителя 14, и выходное напряжение устройства, снимаемое с зажимов 15 этого выпрямителя, практически равны нулю. Дифференциальная токовая защита шин не работает.
k
При коротком замыкании какой-либо фазы в зоне действия дифференциальной токовой защиты шин от места повреждения пойдет ток iкороткого замыкания. Этот ток не входит в число m токов, производные которых измеряются дифференцирующими индукционными преобразователями тока. По этой причине выражение (4) перестает быть справедливым. Оно заменяется другим:
k
k
Таким образом, суммарное значение ЭДС всех катушек одной группы равно ЭДС e, которая пропорциональна производной тока короткого замыкания i.
n
a
k max
Ток короткого замыкания имеет две составляющие: периодическую iи апериодическую i. Время действия дифференциальной защиты шин мало, поэтому можно пренебрегать затуханием амплитуды периодической составляющей и определить ее относительное значение (в долях от амплитуды I этой составляющей) выражением:
0
a0
a0
a
где θ - угол; ω=2πf - угловая частота; f - частота периодической составляющей; θ - начальный угол, соответствующий первому моменту короткого замыкания. Начальное значение апериодической составляющей iзависит от тока в рассматриваемой фазе в последний момент перед началом короткого замыкания. Если короткое замыкание произошло в линии, которая не имела нагрузки, то относительное значение i определяется выражением  (Это выражение можно использовать и в том случае, когда амплитуда тока предварительной нагрузки линии значительно меньше амплитуды периодической составляющей тока короткого замыкания). Апериодическая составляющая затухает с постоянной времени T, которая равна отношению индуктивности цепи короткого замыкания к ее активному сопротивлению. Полный ток короткого замыкания, выраженный в относительных единицах, изменяется по закону:
Производная этого тока по углу θ равна выраженной в относительных единицах суммарной ЭДС группы катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока:
k*
k max
Для перехода от e к абсолютному значению этой ЭДС правую часть выражения (8) нужно умножить на сомножитель IωМ.
k
Так как дифференцирующие индукционные преобразователи тока работают в режиме, близком к холостому ходу, то можно упрощенно считать, что входные напряжения выпрямителя 14 - это суммарные ЭДС eфазных групп катушек 10 и 11 дифференцирующих индукционных преобразователей 6 и 7 тока.
k*
o*
На фиг.3 и фиг.4 приведены графики мгновенных значений выраженных в относительных единицах тока i однофазного короткого замыкания на землю, возникшего в зоне действия дифференциальной токовой защиты, и соответствующего этому току выходного напряжения uустройства. Тонкой линией построены графики тока короткого замыкания, а утолщенной линией - выходного напряжения устройства. Утолщенной горизонтальной линией показан уровень выходного напряжения (в относительных единицах), при котором срабатывает дифференциальная токовая защита шин. Ток короткого замыкания, возникший в ненагруженной линии, определяется выражением (7), а выходное напряжение устройства описывается приближенным выражением
1
1
1
Относительное значение постоянной времени α затухания апериодической составляющей принято равным 10, что близко к среднему значению при удаленных от источников коротких замыканиях в высоковольтных системах с воздушными линиями передачи. Фиг.3 относится к случаю, когда начальный угол периодической составляющей тока короткого  Максимальное значение тока короткого замыкания при этом начальном угле (а также при ) через половину периода после начала короткого замыкания (при θ=π) достигает своего наибольшего значения, которое называется ударным током короткого замыкания. Для α=10 этот ток в 1,72 раза больше амплитуды периодической составляющей (при увеличении α он возрастает, приближаясь к удвоенному значению указанной амплитуды). По мере затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания, тем более быстрого, чем меньше α, разница между амплитудными значениями тока положительного и отрицательного направления снижается. Амплитудные значения положительного и отрицательного направления суммарной ЭДС катушек одной фазной группы с самого начала короткого замыкания отличаются мало. Это отличие тем меньше, чем больше α. Как показано на фиг.3, выходное напряжение выпрямителя 14 достигает уровня напряжения срабатывания защиты не сразу, а спустя угол θ, соответствующий первой точке пересечения двух, показанных утолщенной линией, графиков выходного напряжения выпрямителя 14 и уровня напряжения срабатывания защиты. Такой уровень, во избежание ложных срабатываний защиты, должен быть заведомо больше суммарной ЭДС помехи во всей фазной группе катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока. На фиг.3 этот уровень составляет 0,6 от той амплитуды выходного напряжения выпрямителя 14, которая соответствует периодической составляющей тока в рассматриваемом примере. Для  угол θ достигает максимума, который на фиг.3 равен 0,765 рад. При частоте 50 Гц этому углу соответствует время 0,0024 с. При увеличении сопротивления цепи однофазного короткого замыкания амплитудное значение периодической составляющей тока короткого замыкания снижается, а амплитуда выходного напряжения устройства приближается к уровню напряжения срабатывания защиты. Предельный угол θ запаздывания срабатывания защиты достигает , чему при частоте 50 Гц соответствует время запаздывания 0,005 с. Это время в 6-10 раз меньше, чем у аналога, в котором используются промежуточные быстронасыщающиеся трансформаторы тока. Этот факт убедительно доказывает преимущество измерительного устройства дифференциальной токовой защиты шин, выполненного на основе не трансформаторов тока, а дифференцирующих индукционных преобразователей тока.
0
1
1
0
0
0
0
k*
o*
0
o*
При приближении угла θ к нулевому значению или к углам ±π угол θ уменьшается. Для рассматриваемого примера θ=0 (время запаздывания отсутствует) при выполнении следующих условий 1,03≥θ≥-0,83 и π+1,03≥θ≥π-0,83. Случайную величину θ можно считать равномерно распределенной в диапазоне π≥θ≥-π. При этом вероятность того, что время запаздывания  равно нулю, для рассматриваемого примера составляет около 60%. Графикам тока i и выходного напряжения u, приведенным на фиг.4, соответствует угол  который находится внутри диапазона 1,03≥θ≥-0,83. Видно, что начальное значение напряжения u больше 0,6 - уровня напряжения срабатывания защиты.
Сигнал на срабатывание дифференциальной токовой защиты шин возникнет одновременно с началом тока короткого замыкания, без запаздывания.
При двухфазном коротком замыкании в зоне действия дифференциальной токовой защиты шин выпрямляются не равные нулю суммарные ЭДС (без учета ЭДС помех) не одной, а двух фазных групп катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока. Эти две ЭДС равны между собой и противоположно направлены, по отношению к общему нулевому зажиму 12 и тем двум входным зажимам 13 четырехфазного мостового выпрямителя 14, которые соответствуют указанным двум фазным группам катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока. Поэтому выходное напряжение выпрямителя 14, полученное выпрямлением разности этих двух ЭДС, удваивается, по сравнению с однофазным коротким замыканием с таким же током. При этом вероятность того, что время запаздывания  равно нулю, для рассматриваемого примера увеличится до 80%.
0
уд*
На фиг.5 показаны графики трех, выраженных в относительных единицах, фазных токов при трехфазном коротком замыкании. Относительное значение постоянной времени α затухания апериодической составляющей принято равным 10, как и при однофазном коротком замыкании, которому соответствуют фиг.3 и фиг.4. Угол θ в одной из фаз равен . В этой фазе при θ=π имеет место ударный ток i короткого замыкания. Начальные углы периодической составляющей тока короткого замыкания отличаются от  на  Токи в этих фазах при θ=π равны  их максимальные значения меньше ударного тока. На фиг.6 тонкими линиями построены графики модулей относительных значений разности суммарных ЭДС фазных групп катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока. Там же, утолщенной линией, показан график выходного напряжения выпрямителя 14. Этот график образован из вершин графиков модулей относительных значений разности указанных суммарных фазных ЭДС. Когда апериодические составляющие этих ЭДС затухнут, а защита не отключит короткое замыкание, то максимальные значения выходного напряжения выпрямителя 14 станут равными произведению  на амплитуду суммарной фазной ЭДС. Уровень напряжения срабатывания дифференциальной токовой защиты шин показан на фиг.6 утолщенной линией. Значение периодической составляющей токов трехфазного короткого замыкания принято таким же, как и рассмотренного выше однофазного короткого замыкания. Поэтому сохранено прежним и относительное значение уровня напряжения срабатывания защиты. Оно равно 0,6. Взаимное расположение графиков выходного напряжения выпрямителя 14 и уровня напряжения срабатывания защиты показывает, что сигнал на срабатывание защиты возникает одновременно с возникновением трехфазного короткого замыкания в зоне действия защиты, без какого-либо запаздывания. В этом проявляется существенное преимущество предлагаемого измерительного устройства дифференциальной токовой защиты трехфазной системы шин, по сравнению с измерительным устройством, выполненным на основе трансформаторов тока.
Предлагаемая конструкция катушек 10 и 11 дифференцирующих индукционных преобразователей тока 6 и 7, в виде равномерно распределенных вдоль эластичного тороида 18 двухслойных секций 17, позволяет снизить значения ЭДС, которые наводятся в этих катушках сторонними переменными магнитными потоками. Тем самым снижается уровень напряжения срабатывания защиты, по сравнению с прототипом. При этом дифференциальная токовая защита шин 1 сможет отключать короткие замыкания в начальной стадии повреждения изоляции, при малых токах короткого замыкания. Таким образом, предлагаемое измерительное устройство дифференциальной токовой защиты трехфазной системы шин открывает возможность существенного снижения ущерба от повреждения изоляции шин.