Содержание к диссертации
Введение 4
Глава I. Коаксиальные шунты и основные методы улучшения их
динамических характеристик 13
Основные технические характеристики шунтов -
Сравнение разных конструкций шунтов 21
Оценка требований к динамическим характеристикам шунтов 31
Методы коррекции динамических свойств коаксиальных шунтов 37
Глава 2. Оптимизация динамических характеристик шунтов 51
Обоснование критерия оптимальности -
Оптимизация параглетров двухступенчатой потенциальной цепи шунта 62
Сравнение динамических характеристик модигоицирован-ных шунтов 76
Оптимизация параїлетров шунта с одноступенчатой потенциальной цепью и корректирующим четырехполюсником...78
Экспериментальное исследование результатов оптимизации 89
Глава 3. Исследование помехоустойчивости коаксиальных
шунтов 98
Постановка задачи -
Расчетная оценка помехоустойчивости модифицированных шунтов 101
Экспериментальное исследование помехоустойчивости коаксиальных шунтов 107
Глава 4. Исследование динамических характеристик шунта
с передающим кабелем ЇІ5
Динамические характеристики кабеля 115
Искажения, вносимые кабелями 121
Оптимизация динамических характеристик системы
шунт - кабель 124
4.4. Экспериментальное исследование характеристик
системы шунт - кабель 129
Глава 5. Методика экспериментального определения динами
ческих характеристик шунтов 138
Постановка задачи -
Описание испытательной установки 142
Общие соображения по выбору аппроксимирующих функций 146
Определение динамических характеристик шунтов с преобладающим влиянием магнитного поля 149
Определение динамических характеристик коаксиальных трубчатых шунтов 154
Определение динамических характеристик модифицированных шунтов 162
Определение динамических характеристик
клеточных шунтов 172
Заключение 186
їїршкшение 1 190
Приложение 2 196
Список литературы 200
Введение к работе
В выполнении задач, поставленных ХХУІ съездом КПСС и Энергетической Программой в части увеличения выработки электро -энергии, важное место отводится повышению единичной мощности электротехнического оборудования с улучшенными технико-экономическими показателями. Это в свою очередь делает более ответст -венными все этапы разработки оборудования, среди которых боль -шое значение отводится испытаниям.
Значительная часть исследовательских и типовых испытаний, проводимых при разработке коммутационных аппаратов высокого напряжения и другого сильноточного оборудования, выполняется в лабораториях больших мощностей (ЛШ) в режиме короткого замыкания (к.з.). В связи с этим качественная регистрация больших переменных токов в переходном режиме к.з., уже сейчас достигающих 100 кА, а также импульсных токов является одной из важнейших задач в технике испытаний.
Вместе с тем в настоящее время ЛШ испытывают в этой области большие трудности.
Выпускаемые промышленностью транформаторы тока (ТТ) могут быть использованы ЛЕМ только при измерениях относительно небольшого тока с малым содержанием апериодической составляющей. Других средств измерений тока, пригодных для использования в ЛШ промышленность не выпускает, поэтому лаборатории оснащаются средствами измерений тока собственного изготовления. Ограниченные производственные возможности лабораторий и отсутствие до последнего времени единых обоснованных требований к характеристикам средств измерений тока послужили причиной того, что пока большинство ЛШ не располагают средствами измерений, которые в полной мере удовлетворяли бы возросшим метрологическим и эк-
сплуатационным требованиям. Это ведет к снижению достоверности исследований и затрудняет сравнение результатов испытаний,полученных при использовании различиях средств измерений.
Важнейшим качественным показателем средства измерений является его динамическая характеристика (ДХ), которая описывает его поведение в динамическом режиме, т.е. при изменении во времени измеряемой величины. Требования к ДХ определяются видом испытаний и задачами исследований. Так, например, для регистрации токов к.з. при испытании выключателей высокого напряжения достаточно располагать средством измерений с верхней границей полосы пропускания на уровне -ЗдБ порядка I кГц. Для регистрации им -пульсов тока при испытаниях токоограничвающих аппаратов (высоковольтных предохранителей) граница полосы пропускания достигает сотен кГц, а в случав исследования околонулевых процессов в выключателях высокого напряжения полоса пропускания должна составлять несколько мегагерц.
Средства измерений больших быстро изменяющихся токов можно разделить на средства, принцип действия которых основан на магнитной связи с измеряемым током, и средства, основанные на гальванической связи с током. Магнитная связь лежит в основе приницпа действия трансформаторов тока , воздушных трансформаторов тока или индукционных преобразователей (ИП), оптоэлектронных трансформаторов тока, на гальванической связи с измеряемым током основан принцип действия шунтов.
Особенности перечисленных средств измерений определяют предпочтительные области их применения. Основным преимуществом магнитно связанных средств измерений является возможность измерения тока без разрыва основной цели. При этом не представляет трудности обеспечение изоляции средства измерений от основной
цепи высокого напряжения. К преимуществам шунтов следует отнести возможность достижения лучших динамических свойств, простоту конструкции и схемы измерений. Определенным недостатком шунтов является необходимость заземления цепи, в которой измеряется ток. Введение оптоэлектронного канала устраняет этот недостаток /I/. Это позволяет надеяться, что в будущем область применения шунтов расширится.
Для регистрации токов к.з. чаще всего используют ТТ и шунты, однако при наличии большой апериодической составляющей для обеспечения малых погрешностей приходится увеличивать сечение сердечника ТТ, что значительно увеличивает его вес и габариты. Применение в этом случае ТТ с немагнитными зазорами обеспечивает регистрацию токов с малыми погрешностями. Однако к недостаткам таких трансформаторов следует отнести подверженность влиянию внешних магнитных полей и большой вес и габариты. Предпочтение при больших значениях таких токов чаще всего отдается шунтам благодаря меньшим габаритам и весу, простоте конструкции, лучшим динамическим характеристикам. На это указывает и опыт крупнейших зарубежных испытательных центров Electricite de Prance /2/ И Hydro фиеЪес /3,4^
При регистрации быстро изменяющихся токов в указанных режимах (исследование околонулевых процессов, испытания токоограни-чивающих аппаратов) используемые средства измерений наряду с достаточно хорошими динамическими свойствами должны обладать повышенной нагрузочной способностью, что объясняется большими значениями сопровождающих токов.
Наиболее перспективными средствами измерений тока в отношении ДХ являются ИП с пассивными интеграторами и шунты. Преимущественные области их применения определяются возможностью из-
морений без гальванической связи с основной цепью (ИП) и способностью регистрировать с минимальными погрешностями постоянную составляющую тока (шунт).
Обладая хорошими динамическими свойствами, ИП вместе с тем не могут в ряде случаев обеспечить достаточный уровень выходного сигнала, что приводит к необходимости использования активных интеграторов. Последние же усложняют систему измерений, снижают её надежность.
Применение шунтов позволяет создать простейшую систему измерений, состоящую из шунта, передающего кабеля и регистрирующего осциллографа. Такая система может обладать достаточно хорошими динамическими свойствами. Поэтому в импульсных режимах шунты нашли широкое применение.
Таким образом, шунты являются универсальным средством измерений пригодным для точной регистрации разнообразных по форме, амплитуде и длительности токов.
Исходя из изложенного, шунты были выбраны в качестве объекта, применительно к которому решались задачи по разработке и созданию средств измерений больших быстро изменяющихся токов.
Как элемент электрической цепи представляет собой четырехполюсник, имеющий два токовых зажима для включения в цепь измеряемого тока и два потенциальных, с которых снимается полезный сигнал.
Длительные экспериментальные и теоретические исследования выдвинули в качестве предпочтительной коаксиальную трубчатую конструкцию шунтов, описанную впервые в /5/ и развитую далее в /6/.
Динамические свойства шунтов в общем случае определяются влиянием двух факторов: поверхностным эффектом в резистивном
элементе и магнитным полем измеряемого тока. У трубчатых шунтов пространство, ограниченное резистивным цилиндром, свободно от магнитного поля измеряемого тока, поэтому динамические свойства зависят лишь от стеяени проявления поверхностного эффекта, т.е. они тем лучше, чем меньше толщина стенки резистивного цилиндра. Отметим основные преимущества трубчатых шунтов:
при равной нагрузочной способности они обладают лучшими динамическими свойствами;
обладают высокой помехоустойчивостью к влиянию магнитного поля, что объясняется симметричностью потенциального контура и экранирующим действием цилиндров;
расчетные ДХ с высокой точностью описывают поведение реальных шунтов в динамическом режиме, что позволяет создавать шунты
с заданными свойствами.
Однако с ростом номинальных токов испытуемых аппаратов высокого напряжения повышаются требования к нагрузочной способности шунтов. В этих условиях получение необходимых ДХ на основе традиционных конструкций шунтов встречает все большие трудности. Поэтому для достижения необходимых характеристик прибегают к коррекции.
Существующие методы коррекции ДХ шунтов разделяются на два направления. Первое объединяет конструктивные методы, состоящие в изменении конструкции токовой или потенциальной цепи шунта. К второму относятся схемные методы, заключающиеся в создании пассивных четырехполюсников с заданными свойствами, которые включаются на выходе потенциальной цепи шунта.
Одним из наиболее перспективных является конструктивный метод, состоящий в модификации потенциальной цепи шунта. Изолированный потенциальный проводник располагается здесь не на оси,
как в традиционной трубчатой конструкции,а в толще резистивного цилиндра. Выходное напряжение такого шунта пропорционально плотности тока вдоль линии прокладки потенциального проводника в отличие от трубчатого, где выходное напряжение пропорционально плотности тока на внутренней поверхности резистивного цилиндра. В результате значительно ослабляется влияние поверхностного эффекта на динамические свойства.
На возможность такого метода указывал в 1963 г. Л.З.Эйдель /7/, но первый модифицированный щунт был позднее создан Малев-ским /59/. В дальнейшем метод получил развитие в работах /3,4/.
Как показано в диссертационной работе, перспективным является также комбинированный метод, состоящий в использовании как модификации потенциальной цепи, так и корректирующего четырехполюсника /63/.
Данные методы коррекции предоставляют широкие возможности выбора ДХ шунтов, поэтому необходима оптимизация параметров, определяющих ДХ, и разработка методов расчета оптимальных значений параметров.
Расположение потенциального проводника в теле резистивного цилиндра нарушает симметричность потенциального контура и может привести к снижению помехоустойчивости. Эти вопросы также требуют решения.
Шунт используется в качестве первичного преобразователя в системе измерения тока. Полная погрешность измерения определяется ДХ компонентов системы. Вопросам работы системы измерения тока до сих пор уделялось недостаточно внимания, однако они представляют значительный теоретический и практический интерес.
В заключение сформулируем цель и основные задачи работы:
Целью работы является разработка методов коррекции и экспе-
риментального определения .динамических характеристик шунтов.Для достижения поставленной цели необходимо:
выполнить анализ электромагнитных процессов в шунтах разных конструкций, выявить перспективные способы коррекции динамических характеристик;
оптимизировать динамические характеристики шунтов разных конструкций;
исследовать помехоустойчивость коаксиальных шунтов;
исследовать систему шунт-кабель и оптимизировать её динамические характеристики;
разработать средства и методы экспериментального определения динамических характеристик шунтов.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав,списка использованной литературы из 98 наименований и приложения.
В первой главе приведен аналитический обзор литературы. Сделан вывод о предпочтительности коаксиальной конструкции шунтов, которая обеспечивает высокую помехоустойчивость и при равной нагрузочной способности лучшие динамические свойства. Показано, что в некоторых режимах испытаний к ДХ используемых шунтов предъявляются повышенные требования, получение которых затруднено в рамках традиционных конструкций. Рассмотрены наиболее перспективные способы коррекции ДХ шунтов (модификация потенциальной цепи, использование корректирующих четырехполюсников), позволяющие изменять динамические свойства в широких пределах.Сделан вывод о необходимости оптимизации параметров, определяющих ДХ шунта.
Во второй главе представлены результаты оптимизации параметров модифицированных шунтов. В качестве критерия оптимальности предложено использовать амплитуду погрешности при измерении
синусоидального установившегося сигнала. Показано,что оптимизированные шунты обеспечивают значительное улучшение динамических свойств по сравнению с трубчатыми аналогами. Представлены результаты экспериментальных исследований ДХ модифицированных шунтов, подтверждающие результаты расчетов.
В третьей главе приведены результаты теоретического и экспериментального исследования помехоустойчивости коаксиальных шунтов. Показано,что максимальную наводку в потенциальной цепи шунтов вызывает низкочастотное магнитное поле. Сделан вывод,что у шунтов с симметричным потенциальным контуром (трубчатые, клеточные) в наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации маловероятно появление заметной наводки в отличие от модифицированных шунтов, у которых появление наводки возможно. Представлены расчетные зависимости для определения наводки от однородного магнитного поля. Приведенные результаты экспериментов подтверждают теоретический анализ и расчетные зависимости. Предложена конструкция потенциальной цепи модифицированных шунтов, повышающая помехоустойчивость.
В четвертой главе показано, что в системе измерений быстро изменяющихся токов, состоящей из шунта, кабеля и осциллографа, динамические свойства кабеля могут оказывать ощутимое влияние на характеристики системы. Проведен анализ ДХ кабеля и предложено упрощенное выражение ПХ, позволяющее рассчитывать искажения, вносимые кабелем. Предложен метод расчета параметров модифицированных шунтов и корректирующих четырехполюсников, обеспечивающих оптимальные ДХ системы. Приведены соответствующие аналитические зависимости.
В пятой главе представлена методика экспериментального определения ДХ. Целью экспериментального исследования установлен
расчет функции, аппроксимирующей экспериментальную ПХ. Проанализированы ДХ шунтов разных типов и предложены типы аппроксимирующих функций и критерии аппроксимаций. Показано,что необходима раздельная оценка индуктивной и активной составляющих ПХ. Сделан вывод о необходимости учета при определении ДХ параметров испытательного импульса тока.
В заключении приведены основные результаты, представляющие научную новизну, и выводы.
В приложении описана серия шунтов для измерения переменных неустановившихся токов, которая была создана в ВЭИ жмени В.И.Ленина для оснащения ЛШ подотрасли, и представлены акты о внедрении результатов диссертационной работы..
