Введение к работе
Актуальность темы. Для обеспечения экономичной, надежной и качественной работы электроэнергетических систем и электротехнических установок большое значение имеют так называемые вторичные системы электроэнергетики - измерения, контроля, управления, регулирования, релейной защиты (РЗ). Будучи сравнительно недорогими, они сохраняют основное дорогостоящее оборудование первичных систем, и позволяют решать задачи эффективного использования энергетических ресурсов и электротехнических устройств.
Главной предпосылкой высокой эффективности функционирования вторичных систем является совершенная работа первичных измерительных преобразователей тока (ИПТ), применяемых в электроэнергетике, которые призваны обеспечивать эти системы информацией о режимах работы электроэнергетических систем, их отдельного оборудования.
Все возрастающие требования х функционированию вторичных систем, а также бурное развитие электроники и вычислительной техники привело к созданию нового класса систем управления, включая релейную защиту и противоаварийную автоматику, на базе микропроцессоров. Это в свою очередь также накладывает ряд определенных требований на измерительные преобразователи тока.
Недостаток существующих трансформаторов тока, как источников информации для микропроцессорных устройств релейной защиты и проти-воаварийной автоматики, заключается в насыщении магнитопровода апериодической составляющей тока короткого замыкания и, вследствие этого, в отсутствии передачи информации о первичном токе на вход устройств РЗ и противоаварийной автоматики в первые периоды аварийного режима, когда эта информация наиболее нужна.
Важной проблемой является измерение несинусоидальных токов, включая постоянные и выпрямленные токи таких потребителей как: металлургическое производство, электросварка, тяговые подстанции с электротранспортом и так далее. Для измерения постоянных и выпрямленных токов применяются шунты, как правило, обладающие достаточной степенью точности, однако область их применения ограничена из-за отсутствия гальванической развязки. Датчики тока, имеющие гальваническую развязку, на основе магнитомодуляционных трансформаторов тока или на основе оптических эффектов обладают высокой сложностью конструкций и, как следствие, высокой стоимостью.
Кроме того существует проблема измерения токов в комплектных токопроподпх мощных I'cncpaiopon на ідектричсеких станциях.
В аспекте решения указанных проблем были сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Целью работы является разработка и исследование первичных преобразователей тока, удовлетворяющих современным требованиям устройств релейной защиты и автоматики, на базе мапштотранзисторов.
В соответствии с этим основные задачи диссертационной работы заключались в следующем:
-
Сравнительный анализ известных принципов измерения тока и исполнений первичных преобразователей с целью определения перспективных направлений в области создания преобразователей тока.
-
Анализ гальваномагнитных преобразователей, их характеристик и определение наиболее перспективных в аспекте использования их в датчиках тока.
-
Теоретическое и экспериментальное исследование свойств магни-тотранзисторов как чувствительных элементов измерительных преобразователей тока.
-
Создание математической модели, включая полевой расчет р-п-переходов магнитотранзистора, с целью проведения схемотехнического анализа датчиков тока, а также совершенствования конструкции самого магнитотранзистора.
-
Разработка и исследование структурных схем измерительных преобразователей. Выбор оптимальной структурной схемы. Анализ методических погрешностей измерительных преобразователей тока, включая расчет магнитных полей отдельных токопроводов и системы шин стандартной ячейки КРУ, с целью определения оптимальной конструкции ИПТ.
-
Разработка, исследование и анализ принципиальных схем измерительных преобразователей тока. Создание экспериментальных образцов ИПТ. Проведение их испытаний как в лабораторных условиях, так и на действующих электроэнергетических объектах. Оптимизация конструкции на основе результатов экспериментальных исследований.
Решение указанных цели и задач диссертационной работы осуществлялось в ходе реализации научно-исследовательских работ, выполняемых на кафедре ТОЭ и ЭИ ИГЭУ по заказу Минтопэнерго России, по темам: "Исследование и разработка магнитотранзисторных преобразователей постоянного, переменного тока в напряжение (датчики тока) класса 0.4 - 10 кВ на номинальные токи 1 - 10 кА для микропроцессорных устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики станций, подстанций" и "Исследование магнитных полей токопроводов и магнитотранзисторов в качестве измерительного элемента преобразователя ток-напряжение (датчика тока)", кроме того по гранту, представленному Министерством общего и профессионального образования на тему: "Исследование и разра-
ботка магнитотранзисторного преобразователя тока в напряжение (цифровой код) для опто-электронных трансформаторов тока класса 110 -1150 кВ".
Научная новизна:
-
Разработаны новые первичные преобразователи тока на базе магнитотранзисторов для электронных и микропроцессорных систем релейной защиты и автоматики, позволяющие улучшить работу не только вторичных систем, но и первичных - электроэнергетических систем и электротехнических установок.
-
Разработана математическая модель магнитотранзистора, позволяющая проводить анализ принципиальных схем датчиков тока на его основе.
-
Поставлены и решены задачи минимизации погрешностей магни-тотранзисторных преобразователей тока.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании приборов альтернативных существующим трансформаторам тока, которые позволяют:
измерять как переменный так и постоянный ток, в результате чего не происходит насыщения апериодической составляющей в переходных режимах.
передавать информацию о токе на входные блоки современных электронных и микропроцессорных защит без дополнительных преобразователей ток-напряжение.
Реализация результатов работы. Экспериментальные датчики тока были использованы в системах диагностики электродвигателей эскалаторов С.-Петербургского метрополитена. Кроме того, изготовленные экспериментальные образцы датчиков тока были испытаны на комплектных тоководах турбогенераторов Костромской ГРЭС, а также на подстанции постоянного тока С.-Петербургского трамвайно-троллейбусного управления. Разработанная методика испытаний магнитотранзисторов с помощью компьютерного осциллографа была использована и внедрена на ЗАО "Протон-оптоэлектроника".
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Принципы разработки и образцы первичных преобразователей тока на базе магнитотранзисторов для измерения постоянных и переменных токов.
-
Принципиальные схемы предлагаемых датчиков тока на основе магнитотранзисторов и результаты экспериментальных исследований.
-
Математическая модель магнитотранзистора, предназначен пая для проведения схемотехническою анализа датчиков тока.
4. Методы определения погрешностей магнитотранзисторных датчиков тока и способы их минимизации.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:
- Всероссийской научной конференции "Токи короткого замыкания в
энергосистемах" (Москва, ВВЦ, октябрь 1995 г.);
Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново, май, 1994 г.);
научно-техническом совете секции релейной защиты АО ВНИИЭ (Москва, сентябрь 1997 г.);
научных семинарах и заседаниях кафедры ТОЭ и ЭИ Ивановского государственного энергетического университета (Иваново, 1994, 1995, 1996,1997 гг.).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 105 наименований и двух приложений. Работа содержит 126 страниц машинописного текста, 90 иллюстраций. Общий объем работы составляет 191 страницу.
