ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА
DIFFERENTIAL CURRENT TRANSFORMER

Настоящее изобретение относится к электротехнике и может быть применено для защиты человека от поражения электрическим током, противопожарной защиты от теплового проявления токов утечки, а также токов перегрузки и короткого замыкания в составе автоматизированных систем управления и в устройствах их защитного отключения, реагирующих на дифференциальный (разностный) ток утечки и токи нагрузки.
В настоящее время в электротехнике применяются дифференциальные трансформаторы тока (Устройства защитного отключения, Учебно-справочное пособие. М.: ЗАО «Энергосервис», 2003 г., стр. 49-60, 95, 103-106), для которых характерно наличие сигнала небаланса (помехи) в полезном сигнале. Такие трансформаторы содержат тороидальный магнитомягкий сердечник с равномерной или сосредоточенной вторичной обмоткой и произвольно расположенную в окне сердечника трансформатора первичную обмотку, состоящую из проводников питающей сети.
В такой конструкции трансформатора магнитная связь проводников первичной обмотки с проводниками вторичной обмотки имеет случайный характер, поэтому сумма их потокосцеплений с проводниками вторичной обмотки имеет также случайный характер, и во вторичной обмотке наводится сигнал небаланса, который может отличаться не только по величине, но и по фазе. Поэтому при появлении тока утечки сигнал на выходе вторичной обмотки дифференциального трансформатора тока в одних случаях может увеличиваться, а в других уменьшаться. Это влияет на минимальный порог срабатывания устройств защитного отключения и ограничивает их применение в электроустановках с пиковыми или пусковыми токами, так как сигнал небаланса пропорционален току нагрузки, а это приводит к ложным, несанкционированным срабатываниям устройств защитного отключения. Пусковой орган (пороговый элемент) в устройствах защитного отключения выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах, а исполнительный механизм включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода.
Сигнал небаланса уменьшается в дифференциальном трансформаторе тока (патент РФ №2060568, класс H01F 38/28, 20.05.1996 г.), содержащий тороидальный сердечник из магнитомягкого материала с равномерно намотанной вторичной обмоткой, первичную n фазную обмотку, расположенную в окне сердечника, и экран из магнитомягкого материала, установленный между первичной и вторичной обмотками. Каждая фаза первичной обмотки трансформатора выполнена в виде секций, каждая из которых состоит из двух идентичных, параллельно соединенных проводников, равномерно расположенных по окружности и чередующихся между собой в порядке следования фаз, так что угол между фазными проводниками соседних секций составляет 180°/n. Расположение обмоток и экрана зафиксировано держателем из электроизоляционного материала. Экран выполнен так, что позволяет изменять электромагнитную связь между первичной и вторичной обмотками, при изменении мощности нагрузки для нормирования сигнала небаланса.
Принцип действия данного трансформатора аналогичен принципу действия известных проходных трансформаторов. Однако в нем за счет расщепления фазных проводников создаются потоки рассеяния, которые в каждый момент времени векторно противоположны друг другу и взаимокомпенсируются независимо от ассиметрии нагрузки. Это позволяет на порядок уменьшить сигнал небаланса в трехфазных трансформаторах тока, повысить чувствительность устройств защитного отключения и осуществить защиту мощных электроприемников с пусковыми и пиковыми токами.
Однако у таких дифференциальных трансформаторов тока наблюдается изменение сигнала небаланса при ассиметрии нагрузки, так как при этом изменяется ориентация элептического вращающегося магнитного поля рассеяния, относительно ассиметричной вторичной обмотки, которая имеет место из-за технологических и конструктивных погрешностей магнитной системы дифференциального трансформатора тока в целом, а экранирующее действие токов рассеяния экраном из магнитомягкого материала малоэффективно, так как экран уменьшает магнитное сопротивление потоку рассеяния, проходящему через него. При этом происходит компенсация вращающегося магнитного поля от фазных проводников, расположенных диаметрально противоположно. Сигнал от первичных потоков рассеивания уменьшается в два раза.
В двухфазных трансформаторах тока, при расщеплении фазных проводников на два одинаковых, сигнал небаланса уменьшается тоже в два раза.
Кроме этого рассмотренные дифференциальные трансформаторы тока не осуществляют гальванического разделения сигналов, пропорциональных току утечки и рабочему току, не «выдают» информацию о токах нагрузки, перегрузки, короткого замыкания и «требуют» одинаковых сопротивлений расщепленных проводников.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению являются дифференциальные трансформаторы тока (патенты РФ №2244972, 10.06.2003 г. и №2260865, 17.11.2003 г.).
В одном варианте изобретения дифференциального трансформатора тока с сердечником из магнитомягкого материала и держателем проводников первичная обмотка выполнена из двух проводников сети, расположенных диаметрально противоположно, и имеет две вторичные обмотки, две одинаково намотанные секции одной обмотки соединены встречно, каждая секция имеет n витков, и они симметрично расположены на одной оси с проводниками первичной обмотки, при этом две одинаково намотанные секции с m витками в каждой, другой обмотки соединены последовательно и расположены под углом 90° по отношению к проводникам первичной обмотки.
В другом варианте выполнения дифференциального трансформатора тока первичная обмотка выполнена из трех проводников трехфазной сети, одинаково расположенных под углом 120° относительно друг друга, и имеет четыре вторичные обмотки. Одна вторичная обмотка состоит из шести одинаково намотанных секций, соединенных последовательно через равные углы, каждая секция имеет n витков, а шесть одинаково намотанных секций с m витками в каждой попарно расположены диаметрально противоположно и соединены встречно в три обмотки, причем одна из секций каждой обмотки расположена напротив соответствующего проводника первичной обмотки.
В четырехпроводной сети через держатель дополнительно пропущен один нейтральный проводник, расположенный в центре держателя.
Технический результат данного изобретения заключается в гальваническом разделении разностного сигнала, пропорционального току утечки и сигнала небаланса, пропорционального току нагрузки. Однако чувствительность таких дифференциальных трансформаторов тока ограничена из-за намагничивания их сердечников первичными потоками рассеяния от рабочих токов, протекающих по проводникам сети в моменты действия пусковых и пиковых токов, что может приводить к отказу в отключении токов утечки по этой причине.
В трехфазных трехпроводных дифференциальных трансформаторах тока первичные потоки рассеяния образуют вторичный вращающийся магнитный поток рассеяния (помехи) Фиг. 2.
В трехфазных четырехпроводных дифференциальных трансформаторах тока из-за действия нулевых составляющих фазных токов образуется пульсирующий поток рассеяния от их действия, замыкающийся по хорде между фазными проводниками и нейтральным проводником Фиг. 3, который тоже является сигналом помехи.
Задачей данного изобретения является компенсация потоков рассеяния, что поясняется Фиг. 1, 2 и 3.
Дифференциальный трансформатор тока (ДТТ) утечки, согласно изобретению Фиг. 1, содержит тороидальный сердечник 1 из магнитомягкого материала и проходящие через него фазный и нулевой провода 2, являющиеся первичной обмоткой ДТТ.
Перпендикулярно горизонтальной оси расположена вторичная обмотка 3, состоящая из двух витков, соединенных параллельно и расположенных на одинаковом расстоянии относительно вертикальной оси.
Еще одна вторичная обмотка состоит из двух секций 4, с равным числом витков. Секции расположены соосно с проводниками сети по горизонтали и соединены параллельно, находятся между проводниками сети и магнитопроводом.
Для придания конструкции трансформатора жесткости в окне сердечника 1 установлен держатель 5 из электроизоляционного материала.
В электрическую цепь короткозамкнутой обмотки 3 включена обмотка поляризованного реле 6, которая приводит к действию устройство защитного отключения 7 при возникновении тока утечки.
В конструкции предусмотрен вариант включения исполнительного устройства 6 и 7 без гальванической развязки между точками А и Б.
Дифференциальный трансформатор тока Фиг. 2 содержит тороидальный сердечник 1, первичную обмотку из трех проводников 2 трехфазной сети, одинаково расположенных в держателе 5 из электроизоляционного материала под углом 120° по отношению друг к другу внутри сердечника 1.
Обмотка 3 расположена в зоне ослабленного магнитного поля, посредине между фазными проводниками первичной обмотки и в нее включены 6 и 7.
Три секции второй вторичной обмотки 4 одинаково расположены в полости дифференциального трансформатора тока вдоль фазных проводников между фазными проводниками и магнитопроводом и соединены параллельно по типу беличьего колеса.
Вторичные обмотки 3 и 4 можно использовать для подключения приборов контроля 8, 9, 10 и 11 и/или исполнительных устройств аналогично Фиг. 1.
На Фиг. 3 представлена схема включения дифференциального трансформатора тока в трехфазную цепь с нейтральным проводником, которая выполняет те же функции, что и в дифференциальном трансформаторе тока на Фиг. 2. ДТТ содержит дополнительно сетевой нейтральный проводник N. Все проводники 2 первичной обмотки ДТТ расположены под углом 90° в магнитопроводе 1.
Принцип действия предлагаемого дифференциального трансформатора тока заключается в следующем.
н
н
н
н
В отсутствии тока утечки основной магнитный поток в магнитопроводе 1 трансформатора равен нулю, так как сумма фазных токов и тока нейтрали равна нулю. Но так как по проводникам 2 первичной обмотки протекают токи, то вокруг них пульсируют магнитные потоки рассеяния Ф, направления которых показаны на Фиг. 1 и которые наводят одинаковые ЭДС помехи Е (небаланса), пропорциональные току нагрузки I в секциях обмотки 4. Направление Е связано с направлением магнитных потоков правилом «буравчика» Фиг. 1. Если секции обмотки 4 соединить параллельно, то на выходе будут протекать токи, пропорциональные току нагрузки.
σн
н
Однако недостатком этих дифференциальных трансформаторов тока является то, что фазные проводники создают пульсирующее магнитное поле по вертикальной (или продольной) оси ΔФ, которое в магнитопроводе дифференциального трансформатора тока пропорционально величине рабочего тока нагрузки I, расстоянию внутреннего диаметра трансформатора по воздуху 2R и сечению его магнитопровода S, поэтому в обмотке 3 имеет место сигнал небаланса (помехи).
ут
ут
н
При появлении тока утечки создается поток Ф, который замыкается по магнитопроводу трансформатора и согласно принятому на Фиг. 1 направлению, наводит сигнал Е, пропорциональный току утечки, в секциях обмотки 4 они взаимно компенсируются, так как они включены встречно, поэтому на сигнал 2Е в этой обмотке никакого влияния не оказывают.
σн
Секции обмотки утечки 3 соединяются параллельно и располагаются в зонах ослабленного поля ΔФ, так как на границе этого потока имеет место флуктуация.
σн
ут
На Фиг. 1 обмотка 3 состоит из двух параллельных короткозамкнутых секций, размещенных симметрично относительно осевого сечения магнитопровода в зоне ослабленного поля ΔФ, и на ее выходе формируется сигнал Е, пропорциональный току утечки.
σн
Представленная конструкция ДТТ позволяет разделить сигнал утечки, пропорциональный току утечки в обмотке 3, и сигнал небаланса (помехи), пропорциональный току нагрузки в обмотке 4. Однако наличие ΔФ ухудшает чувствительность ДТТ.
Для увеличения порога чувствительности ДТТ в обмотке 4 три секции соединены последовательно, а три – параллельно, поэтому возникающие потоки рассеяния направлены противоположно и компенсируются. Приведенная конструкция позволяет на порядок увеличить чувствительность ДТТ к токам утечки.
Таким образом, если в обмотку 3 ДТТ включить катушку поляризованного реле 6, то при появлении тока утечки будет срабатывать устройство защитного отключения 7.
ут
Поляризованное реле 6 с исполнительным устройством 7 можно включить в обмотку с секциями 4 между точками А и Б, тогда в 6 начнет протекать ток кI, что приведет к срабатыванию защиты.
Данные положения гальванического разделения сигнала могут быть использованы и для защиты электроприемников в трехфазных сетях при симметричных и несимметричных нагрузках.
σ1
н
σ1
на
нв
нс
σ1
σ2
На Фиг. 2 представлена схема включения дифференциального трансформатора тока в трехфазную сеть без нейтрального проводника. При отсутствии тока утечки основной магнитный поток в магнитопроводе трансформатора равен нулю, так как сумма токов в трехпроводной сети без нулевого провода равна нулю. Но так как по проводникам 2 первичной обмотки протекают фазные токи, то вокруг них пульсируют с частотой сети первичные потоки рассеивания Ф, направления которых показаны на Фиг. 2 для момента времени ωt=π/6, которые наводят в обмотках 4 ЭДС Е,одинаково пропорциональные мгновенному значению тока нагрузки при любом режиме работы, симметричном или несимметричном, так как магнитный поток Ф в основном замыкается по воздуху, то магнитная проницаемость постоянна, и поэтому к(I+I+I)=0. Известно, что в симметричной трехфазной сети, какой является первичная обмотка дифференциального трансформатора тока при равенстве токов в фазных проводниках 2, потоки рассеяния Ф создают результирующий магнитный поток Ф, направление которого показано на Фиг. 2 (Анисимов Ю.А., Малашенков Г.Н., Костарев Н.П. «Уравнение вращающегося кругового магнитного поля в трехфазных трансформаторах тока. Устройства защитного отключения». Электричество. 2003 г., №10, стр. 49-52).
σ1
н
σн
σ2
Применение короткозамкнутых витков 4, соединенных по типу «беличье колесо», расположенных на пути потоков рассеяния Ф, пульсирующих с частотой сети, уменьшают эти потоки за счет индуктируемой ЭДС, называемой трансформаторной, и токов кI от их действия, которые создают потоки Ф, противоположно направленные, и компенсируют их, и, следовательно, вторичный поток ΔФ.
σ1
σ2
н
На Фиг. 2 показано направление потоков Ф и Ф для момента времени ωt=π/6 и направления токов кI в обмотках 4, суммы их равны нулю, так же как токов нагрузки Iа+Iв+Iс=0.
ут
ут
При появлении тока утечки создается поток Ф, который замыкается по магнитопроводу и согласно принятому на Фиг. 2 направлению, наводит в каждой обмотке 3 и 4 сигнал Е, пропорциональный току утечки.
Если в цепь обмотки 3 включить поляризованное реле 6, то будет срабатывать устройство защитного отключения 7.
Вместо 6 в цепь обмотки 3 можно включить миллиамперметр 8. ДТТ может быть дополнен включением в ветви с обмоткой 4 комплекта измерительных приборов и элементов защиты 9, 10, 11.
Кроме этого на магнитопроводе ДТТ Фиг. 1, 2, 3, можно расположить в зоне между фазными проводниками многовитковую обмотку напряжения 12, включенную на аналого-цифровой усилитель преобразователь 13, и обмотку подмагничивания 14 для увеличения чувствительности слаботочных сигналов от блоков имитации токов утечки.
Принцип действия дифференциального трансформатора тока Фиг. 3 аналогичен принципу действия дифференциального трансформатора тока на Фиг. 2. В нем проводники сети 2 расположены под углом 90°. Обмотка 3 расположена на магнитопроводе 1 между фазными проводниками, а обмотки 4 расположены между магнитопроводом и проводниками сети 2 и соединены параллельно по типу «беличьего колеса». Конструкция закреплена держателем проводников 5.
Отличие заключается в том, что при несимметричной нагрузке и наличии нейтрального провода Фиг. 3 появляются токи нулевой последовательности.
σо
σн,
Токи нулевой последовательности не создают вращающегося магнитного поля, так как потоки, созданные токами нулевой последовательности, одновременно во всех трех фазных проводниках 2 на Фиг. 3 вынужденно пульсируют, замыкаясь по магнитопроводу ДТТ, и наводят в обмотках 3 и 4 сигнал, пропорциональный утроенному току нулевой последовательности. Но так как нейтральный проводник N на Фиг. 3 пропущен через ДТТ и по нему протекает утроенная нулевая составляющая несимметричной системы токов обратного направления, то происходит пульсация потока нулевой последовательности Ф и Ф как показано на Фиг. 3.
ут
ут
а
в
с
N
При появлении тока утечки в секциях 3 и 4 наводится сигнал Е, но так как секции 3 и 4 соединены на Фиг. 3 так же, как и на Фиг. 2, то на выходах обмотки 3 будет сигнал, пропорциональный Е, а на выходах обмоток 4 будут сигналы, пропорциональные Е, Е, Е и E, так как обмотки 4 соединены накоротко, то в них протекают токи, пропорциональные токам в сетевых проводниках, и они создают потоки, противодействующие причине.
Это дает возможность на базе таких ДТТ разработать новые, более чувствительные к токам утечки защитные отключающие устройства с расширенными функциональными возможностями, позволяющие настраивать их на различные токи нагрузки, осуществляя защиту от токов перегрузки и короткого замыкания, исключив тепловые и электромагнитные расцепители из токовых цепей электроустановок, существующих аппаратов защиты, присутствие которых ведет к увеличению сопротивления защищаемых цепей как самими расцепителями, так и их добавочными переходными сопротивлениями, к повышению пожарной опасности по причинам ограничения токов короткого замыкания в защищаемых сетях, увеличению времени их срабатывания и увеличению тепловыделения по этим причинам. Используя дифференциальный трансформатор тока, можно изменять чувствительность к токам утечки, соблюдать условия селективности и не реагировать на пусковые и пиковые токи нагрузки. ДТТ могут быть унифицированы, а аппараты защиты выполняться на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах.
Наличие чувствительной дифференциальной (разностной) защиты и защиты от сверх токов снимает необходимость зануления и заземления потребителей, так как преднамеренное зануление и заземление потребителей способствует более быстрому разрушению изоляции электроустановок от теплового проявления токов утечки и пожарам по этой причине.