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, и может быть использовано для обеспечения электробезопасности судовых и корабельных электроэнергетических систем.
Известно измерительное устройство дифференциальной токовой защиты шин, которое является наиболее близким заявленному техническому решению и выбрано в качестве прототипа. Прототип содержит три группы последовательно включенных катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока, по одной группе на каждую фазу защищаемой системы шин. 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. 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. Начала первых катушек каждой группы и общий нулевой зажим соединены с входными зажимами устройства. В устройство введен четырехфазный мостовой выпрямитель, выходные зажимы которого являются выходными зажимами устройства. Тороиды, на которых расположены указанные катушки, выполнены из эластичного немагнитного изоляционного материала, соединенного посредством стыковочных поверхностей. Все эти катушки выполнены в виде нескольких одинаковых секций, равномерно размещенных вдоль указанных тороидов. Начала каждой, кроме первой, секционных обмоток соединены с концами секционных обмоток предыдущих секций. (Патент №2396661 Российская Федерация, МПК H02H 3/34 (2006.01), H01F 38/28 (2006. 01). Измерительное устройство дифференциальной токовой защиты шин/ Кувшинов Г.Е. (RU), Мясоедов Ю.В. (RU), Нагорных А.С. (RU), Богодайко И.А. (RU); патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет» (RU). - №2009126293/28; заявл. 08.07.2009; опубл. 10.08.2010. Бюл. №22.)
Известное устройство-прототип предложено в качестве схемы защиты электрических линий, машин и приборов, реагирующих на разность токов. Это устройство повышает чувствительность защиты и тем самым обеспечивает отключение шин от источников напряжения на первой стадии повреждения изоляции шин.
Однако основным недостатком этого устройства является то, что секционные катушки образуют два слоя, один из которых внешний, а другой внутренний. Это усложняет конструкцию устройства и возможность его изготовления.
На устранение указанного недостатка направлено новое техническое решение «Измерительное устройство дифференциальной токовой защиты шин», технической задачей которого является расширение арсенала технических средств, реагирующих на разность токов и являющихся схемами защиты и обеспечения электробезопасности судовых и корабельных электроэнергетических систем
Реализация поставленной задачи позволяет достичь следующего суммарного технического результата:
- заявленное устройство расширяет арсенал технических средств, реагирующих на разность токов и являющихся схемами защиты и обеспечения электробезопасности судовых и корабельных электроэнергетических систем;
- заявленное устройство позволяет уменьшить практически в два раза количество всего обмоточного провода, используемого для изготовления секционных обмоток, что приводит к улучшению геометрических и конструкционно-технологических показателей устройства, удешевляет и облегчает его изготовление.
Указанный технический результат достигается тем, что заявленное «Измерительное устройство дифференциальной токовой защиты шин» содержит три, по числу фаз в трехфазной электроэнергетической системе, идентичные группы катушек токопроводов для питающей и отходящих линий защищаемой системы шин. В каждой группе каждая из указанных катушек индуктивно связана с одним из тех токопроводов фазы, соответствующей этой группе. Через токопроводы к защищаемой системе шин подключены питающие и отходящие линии, число таких катушек в каждой группе равно общему числу всех этих линий. Каждая катушка токопровода для питающей и отходящих линий состоит из n секций, выполненных в виде обмоток, а каждая обмотка образована витками из обмоточного провода секционных катушек. Начало первой секционной обмотки подключено к первой клемме катушки дифференцирующего индукционного преобразователя тока. Все указанные катушки всех групп размещены на соответствующих тороидах, выполненных из эластичного немагнитного изоляционного материала. К выключателю питающей линии подключена защищаемая система шин, к которой через соответствующие выключатели подключены соответствующие отходящие линии. Все катушки в каждой группе соединены последовательно, причем начало каждой последующей катушки токопроводов для отходящих линий, кроме первой катушки токопровода для питающей линии, подключены к концу предыдущей катушки. Концы последних катушек всех групп подключены к общему нулевому зажиму, а начало первой катушки токопровода для питающей линии каждой из фазовых групп и общий нулевой зажим подключены по одному к соответствующим входным зажимам четырехфазного мостового выпрямителя, выходные зажимы которого являются выходными зажимами устройства.
Принципиальным отличием заявленного устройства от прототипа является то, что тороиды имеют форму полой трубки. В каждой группе катушек часть единого обмоточного провода помещена внутри соответствующего тороида вдоль осевой линии катушки и повторяет кольцевую форму тороида. При этом начало обмоточного провода, помещенного внутри тороида и повторяющего его кольцевую форму, соединено с концом последней секционной обмотки, а конец обмоточного провода на выходе его из тороида соединен со второй клеммой катушки дифференцирующего индукционного преобразователя тока.
Именно размещение части единого обмоточного провода внутри соответствующего тороида позволяет уменьшить практически в два раза количество всего обмоточного провода по сравнению с количеством обмоточного провода, используемого в прототипе для образования двух слоев дифференцирующего индукционного преобразователя тока. Это улучшает геометрические и конструкционно-технологические показатели устройства, удешевляет и облегчает его изготовление.
Дополнительным отличием является то, что на концах каждой полой трубки выполнены стыковочные поверхности, которые плотно стыкуют одна с другой при монтаже катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока.
Дополнительными отличиями являются следующие уточнения:
1
- число витков каждой секционной катушки, образованных соответствующим проводником, равно w;
1
- общее число витков всех обмоток секционных катушек - w, при этом w=wn.;
- витки всех обмоток катушек дифференцирующих индукционных преобразователей тока должны быть намотаны или по правилу правого винта, или по правилу левого винта;
- витки имеют одинаковый выбранный шаг.
Перечисленные другие дополнительные отличия необходимы для формирования равномерной намотки и малого расстояния между секциями (необмотанного участка) тороидального каркаса, на котором расположена катушка, при соблюдении технологии изготовления таких катушек, для увеличения помехозащищенности, а именно снижения мешающих электродвижущих сил (ЭДС) и переменных магнитных потоков, сцепленных с витками катушек.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Фиг.1 - измерительное устройство дифференциальной токовой защиты шин. Однолинейная функциональная схема.
Фиг.2 - измерительное устройство дифференциальной токовой защиты шин. Местный разрез катушки дифференцирующего индукционного преобразователя тока.
На фиг.1 изображена однолинейная функциональная схема устройства, содержащая:
1. Защищаемую систему шин.
2. Питающую линию (входящая шина для подключения к источнику напряжения; количество питающих линий (шин) может быть больше одной).
3. Выключатель питающей линии. (Количество выключателей соответствует количеству питающих линий.)
4. Выключатели. (Количество выключателей N.)
5. Отходящие линии (отходящие шины).
6. Дифференцирующий индукционный преобразователь для питающей линии тока (ДИПТ1).
7. Дифференцирующие индукционные преобразователи для отходящих линий тока (ДИПТ2).
8. Токопровод для питающей линии.
9. Токопроводы для отходящих линий.
10. Катушку токопровода для питающей линии (КДИПТ1).
11. Катушки токопроводов для отходящих линий (КДИПТ2).
12. Общий нулевой зажим.
13. Входные зажимы четырехфазного мостового выпрямителя (ЧМВ).
14. Четырехфазный мостовой выпрямитель (ЧМВ).
15. Выходные зажимы ЧМВ (выходные зажимы устройства).
Заявленное устройство содержит три идентичные группы катушек токопроводов для питающей и отходящих линий, по числу фаз в трехфазной электроэнергетической системе.
Защищаемая система шин 1 фиг.1 подключена к источнику напряжения с помощью питающей линии 2 фиг.1 и выключателя питающей линии 3 фиг.1 (в общем случае количество питающих линий может быть больше одной). К выключателю питающей линии 3 фиг.1 подключена защищаемая система шин 1 фиг.1, а к защищаемой системе шин 1 фиг.1 через соответствующие выключатели 4 подключены соответствующие отходящие линии 5 фиг.1. Измерительное устройство дифференциальной токовой защиты шин содержит дифференцирующий индукционный преобразователь для питающей линии тока 6 фиг.1 и дифференцирующие индукционные преобразователи для отходящих линий тока 7. Общее число дифференцирующих индукционных преобразователей линий тока питающей 6 и отходящих 7 для каждой фазы шин равно общему числу линий 2 и 5. Эти преобразователи 6 и 7 состоят из токопровода для питающей линии 8 фиг.1 и токопроводов для отходящих линий 9 фиг.1, а также из катушки токопровода для питающей линии 10 фиг.1, индуктивно связанной с токопроводом для питающей линии 8 фиг.1, и из катушек токопроводов для отходящих линий 11 фиг.1, индуктивно связанных с токопроводами для отходящих линий 9 фиг.1 соответственно.
Каждая из катушек КДИПТ1 и КДИПТ2 в каждой группе расположена на тороиде 18 фиг.2, соответствующем рассматриваемой группе катушек. 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 токопроводов для отходящих линий 11 фиг.1, кроме первой катушки токопровода для питающей линии 10 фиг.1, подключены к концу предыдущей катушки. Концы последних катушек всех групп подключены к общему нулевому зажиму 12 фиг.1. Начало первой катушки токопровода для питающей линии 10 фиг.1 каждой из фазовых групп и общий нулевой зажим 12 фиг.1 подключены по одному к соответствующим входным зажимам 13 четырехфазного мостового выпрямителя 14 фиг.1. Выходные зажимы ЧМВ 15 (+ и -) фиг.1 являются соответствующими выходными зажимами измерительного устройства дифференциальной токовой защиты шин.
На фиг.2 дан местный разрез катушки токопровода для питающей линии (КДИПТ1) 10 фиг.1 или катушки токопроводов для отходящих линий (КДИПТ2) 11 фиг.1 (определение «местный» использовано в соответствии с ЕСКД), включающий:
16. Осевую линию КДИПТ1 или КДИПТ2.
17. Секции (секционные катушки, количество секций n).
18. Тороид.
19. Стыковочные поверхности.
20. Виток из обмоточного провода секционных катушек (виток).
21. Начала секционных обмоток (кроме первой).
22. Концы секционных обмоток (кроме последней).
23. Конец последней секционной обмотки.
24. Начало первой секционной обмотки.
25. Первую клемму катушки дифференцирующего индукционного преобразователя тока.
26. Вторую клемму катушки дифференцирующего индукционного преобразователя тока.
27. Обмоточный провод (являющийся частью единого обмоточного провода).
1
1
1
На верхней половине фигуры 2 представлена часть разреза КДИПТ1 10 фиг.1 или КДИПТ2 11 фиг.1, чтобы показать в сплошной детали ее внутреннее устройство. Разрез выполнен горизонтально, при этом осевая линия 16 фиг.2 совпадает с осью каждой секции (секционной катушки) 17 фиг.2, а также с осью тороида 18 фиг.2. Тороид 18 фиг.2 может иметь различную форму поперечного сечения, например прямоугольную или круглую. Каждая из этих и возможных других форм имеет свои достоинства и недостатки. В заявленном устройстве тороид имеет круглую форму поперечного сечения с диаметром d, наиболее простую в изготовлении и позволяющую уменьшить расход обмоточного провода. Каждая из КДИПТ1 10 фиг.1 или КДИПТ2 11 фиг.1 состоит из n секций (секционных катушек) 17 фиг.2, равномерно размещенных вдоль тороида 18 фиг.2, выполненного из эластичного немагнитного изоляционного материала, имеющего форму полой трубки. Длина секций и расстояние между ними равны а и b соответственно. Стыковочные поверхности 19 фиг.2, находящиеся на концах эластичной полой трубки, плотно, как широко известно в технике до даты приоритета заявленного изобретения, соединены одна с другой при установке катушки на соединительную втулку высоковольтного ввода выключателя, не указанных на фигуре 2. Секционные катушки (секции) 17 фиг.2 выполнены в виде обмоток. Каждая обмотка образована витками из обмоточного провода секционных катушек 20 фиг.2. Количество витков каждой секционной катушки, образованных соответствующим проводником, обозначено - w. Витки 20 фиг.2 имеют одинаковый выбранный шаг. Общее число витков всех обмоток секционных катушек - w, при этом w=wn. Витки всех обмоток КДИПТ1 10 фиг.1 или КДИПТ2 11 фиг.1 должны быть намотаны или по правилу правого винта, или по правилу левого винта, а диаметр осевой линии каждого витка обмоток секционных катушек равен d.
Все секционные катушки (секции) 17 фиг.2 соединены последовательно единым обмоточным проводом, образующим соответствующие обмотки секционных катушек. При этом начала секционных обмоток 21 фиг.2 всех секций 17 (кроме первой) подключены к концам секционных обмоток предыдущих секций (кроме последней) 22 фиг.2. Начало первой секционной обмотки 24 фиг.2 подключено к первой клемме катушки дифференцирующего индукционного преобразователя тока 25 фиг.2. В измерительном устройстве дифференциальной токовой защиты шин использован обмоточный провод 27 фиг.2, идентичный проводнику, образующему витки всех секционных катушек 17 фиг.2, и являющийся частью единого обмоточного провода. Обмоточный провод 27 фиг.2 помещен внутри тороида 18 фиг.2 вдоль осевой линии катушки 16 фиг.2 и повторяет кольцевую форму тороида 18 фиг.2. При этом начало обмоточного провода 27 фиг.2, помещенного внутри тороида и повторяющего его кольцевую форму, соединено с концом последней секционной обмотки 23 фиг.2, а конец обмоточного провода 27 фиг.2 на выходе его из тороида соединен со второй клеммой катушки дифференцирующего индукционного преобразователя тока 26 фиг.2.
Измерительное устройство дифференциальной токовой защиты шин, однолинейная функциональная схема которого показана на фиг.1, работает следующим образом.
Электрический ток проходит по высоковольтным токопроводам для питающей линии 8 фиг.1 и токопроводов для отходящих линий 9 фиг.1, во всех группах и в зависимости от сопротивления потребителей, не указанных на фиг.1, но подключенных к отходящим шинам 5 фиг.1, образует вокруг указанных высоковольтных токопроводов магнитное поле. Магнитное поле каждого токопровода наводит в соответствующих тороидальных катушках, охватывающих эти токопроводы, ЭДС, мгновенное значение которой пропорционально производной этого тока по времени.
Токи других проводников, не проходящих через окна катушек КДИПТ1 10 фиг.1 и КДИПТ2 11 фиг.1, например токи второй или третьей фазной групп, токи заземлителей или вихревые токи в корпусе выключателя, создают мешающие магнитные потоки двух составляющих. Первая из них перпендикулярна плоскости осевым линиям катушек КДИПТ1 10 фиг.1 и КДИПТ2 11 фиг.1. Мешающее влияние этой составляющей ничтожно, так как в двух витках, один из которых образуется суммой обмоток секционных катушек, а другой - обмоточным проводом внутри тороида повторяющим его форму, наводятся две мешающие ЭДС, которые практически полностью уравновешивают одна другую. Линии напряженности поля второй составляющей магнитных потоков от мешающих токов лежат в плоскостях, параллельных плоскостям осевых линий катушек КДИПТ1 10 фиг.1 и КДИПТ2 11 фиг.1. Такая составляющая мешающих магнитных потоков может создавать ЭДС, достаточную для возникновения ошибки при измерении тока в высоковольтных токопроводах для питающей линии 8 фиг.1 и в токопроводах для отходящих линий 9 фиг.1 только при наличии неравномерностей намотки катушки, когда шаг намотки непостоянный 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 возникающей ЭДС в тороидальных катушках в зависимости от тока, протекающего в высоковольтных токопроводах, не нарушаются ни при каких условиях.
Таким образом, катушки дифференцирующих индукционных преобразователей тока 10 и 11 предложенной конструкции обеспечивают высокую точность измерения производной тока, проходящего по высоковольтному вводу выключателя.
Вполне осуществим и широко известен в науке и технике 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.
В соответствии с первым законом Кирхгофа сумма токов всех высоковольтных питающих линий и отходящих линий с токами в нормальных режимах и при внешних за пределами точек установки дифференцирующих индукционных преобразователей тока коротких замыканиях равна нулю для каждой фазы.
В каждой фазе измерительного устройства дифференциальной токовой защиты шин сумма ЭДС, наведенных во всех 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.
При коротком замыкании какой-либо фазы в зоне действия дифференциальной токовой защиты шин от места повреждения пойдет ток короткого замыкания. Этот ток не входит в число токов, производные которых измеряются дифференцирующими индукционными преобразователями тока. В данном случае суммарное значение ЭДС всех катушек одной группы равно ЭДС, которая пропорциональна производной тока короткого замыкания, выходное напряжение выпрямителя 14 достигает 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.
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. Выходное напряжение выпрямителя 14, полученное выпрямлением разности этих двух ЭДС, удваивается по сравнению с однофазным коротким замыканием с таким же током.
Во время трехфазного короткого замыкания выходное напряжение выпрямителя 14 будет в три раза больше по сравнению с однофазным коротким замыканием с таким же током.
В этом проявляется существенное преимущество измерительного устройства дифференциальной токовой защиты трехфазной системы шин по сравнению с измерительным устройством, выполненным на основе трансформаторов тока.
Таким образом, для решения поставленной технической задачи предложено новое устройство, расширяющее арсенал известных технических средств, являющихся схемами защиты и обеспечения электробезопасности судовых и корабельных электроэнергетических систем. За счет исключения по сравнению с прототипом установки дополнительных конструктивных элементов конструкция заявленного устройства упрощена при сохранении основных существенных функциональных возможностей, в результате чего улучшены массогабаритные показатели измерительного устройства дифференциальной токовой защиты шин.
Заявленное устройство промышленно применимо, так как при его изготовлении использованы широкораспространенные устройства и компоненты электротехнической промышленности, такие как соответствующий гостированный обмоточный провод, а наличие эластичного немагнитного изоляционного материала в электротехнике широко известно и не ограничено химическим составом. Известны также технологии изготовления тороидального каркаса и секционных катушек.