Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор пожарной опасности электрических сетей и электроустановок 11
1.1. Состояние вопроса обеспечения пожарной безопасности электрических сетей и электроустановок 11
1.2. Анализ методов оценки пожарной опасности электроустановок 17
1.2.1. Детерминистический метод оценки пожарной опасности электроустановок 17
1.2.2. Вероятностно-статистический метод оценки пожарной опасности электроустановок 19
1.2.3. Статистический метод оценки пожарной опасности электроустановок 23
1.2.4. Вероятностный метод оценки пожарной опасности электроустановок25
1.3. Анализ существующих устройств противопожарной защиты электроустановок 28
1.4. Анализ существующей нормативно-технической документации по обеспечению пожарной безопасности проводов и кабелей электрических сетей 45
1.5. Выводы по главе 53
ГЛАВА 2. Математическое моделирование пожарной опасности проводов и кабелей электрических сетей 55
2.1. Анализ процессов теплового старения изоляции, приводящих к появлению токов утечки55
2.1.1. Физика процессов теплового старения изоляции 55
2.1.2. Системы классификации электроизоляционных материалов по нагревостойкости 58
2.1.3. Оценка теплового старения изоляции 60
2.2. Исследование загорания проводов и кабелей при появлении тока утечки 63
2.2.1. Анализ причин загораний проводов и кабелей 63
2.2.2. Исследование пожарной опасности токов утечки 66
2.3. Разработка математической модели пожарной опасности проводов и кабелей 72
2.4. Результаты программной реализации математической модели81
2.5. Исследование математической модели пожарной опасности проводов и кабелей 85
2.6. Разработка метода количественной оценки пожарной опасности электрических сетей 95
2.7. Выводы по главе 99
ГЛАВА 3. Расширение функциональных возможностей устройства защиты от токов утечки 101
3.1. Физические основы работы трансформатора тока утечки 101
3.2. Разработка конструкции безбалансного трансформатора тока утечки 113
3.3. Расширение функциональных возможностей устройств защиты от токов утечки 125
3.4. Выводы по главе 131
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования трансформаторов тока утечки 133
4.1. Экспериментальное исследование типовых трансформаторов тока утечки 133
4.2. Экспериментальное исследование двухпроводного трансформатора тока утечки 139
4.3. Экспериментальное исследование трехфазного трансформатора тока утечки 141
4.4. Выводы по главе 143
Заключение 144
Условные обозначения 146
Список используемых источников
- Состояние вопроса обеспечения пожарной безопасности электрических сетей и электроустановок
- Статистический метод оценки пожарной опасности электроустановок
- Системы классификации электроизоляционных материалов по нагревостойкости
- Разработка конструкции безбалансного трансформатора тока утечки
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Анализ причин пожаров электроустановок показывает, что наиболее существенное место среди них занимают тепловые проявления тока в электрических сетях. В подавляющем большинстве случаев причинами высокой пожарной опасности электрических сетей являются несовершенство противопожарных требований при их разработке, а также нарушение правил их монтажа и эксплуатации. Применяемые средства контроля электрических сетей и электроустановок от аварийных пожароопасных режимов позволяют реагировать только на косвенные вторичные признаки аварийного режима (температура, пламенное горение, дым), что не обеспечивает эффективной защиты электроустановок от аварийных пожароопасных режимов на ранних стадиях их развития. Возникновение аварийного пожароопасного режима зависит от множества факторов, которые изначально не могут быть определены однозначно, например появление тока утечки.
Применяемые автоматические установки пожаротушения не позволяют предотвращать возникновение горения изоляции электрических проводок, а используемые аппараты защиты электрических сетей в ряде случаев не обеспечивают предотвращение пожаров при аварийном режиме работы электрической сети.
Защиту электрических сетей от возникновения пожаров можно обеспечить, имея необходимую информацию об электрических режимах их эксплуатации, предшествующих пожароопасному режиму. Ввиду быстротечности протекания опасных предаварийных и аварийных режимов, задача предотвращения возможности возникновения воспламенения изоляции в период аварийной работы и предотвращения воспламенения изоляции в аварийном режиме работы электропроводки может быть решена в результате разработки новых методов оценки пожарной опасности предаварийных
режимов работы электрических сетей. Быстротечность протекания указанных режимов определяет необходимость контроля теплового проявления электрического тока и прогнозирования его последствий, что может быть достигнуто только за счет разработки новых устройств защиты.
Изложенные обстоятельства определяют актуальность исследований, направленных на разработку метода оценки пожарной опасности проводов и кабелей электрических сетей и новых устройств защиты, обеспечивающих их пожарную безопасность.
Цель диссертационного исследования состоит в разработке метода количественной оценки пожарной опасности электрических сетей, математическом моделирование пожарной опасности электрических проводов и кабелей и создании многофункционального устройства защиты от аварийных пожароопасных режимов работы электрических сетей. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Исследование пожарной опасности проводов и кабелей при штатных и аварийных режимах работы;
Разработка методики оценки критических параметров, характеризующих техническое состояние проводов и кабелей в электрических сетях;
Исследование токов утечки в проводах и кабелях электрических сетей в зависимости от режимов работы;
Экспериментальное моделирование пожароопасных токов утечки при испытаниях проводов и кабелей в аварийных пожароопасных режимах работы;
Экспериментальные исследования трансформаторов тока утечки для выявления зависимостей их работы от параметров электрической сети;
Разработка метода количественной оценки пожарной опасности электрических сетей.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются электрические сети напряжением до 1000В в предаварийных и аварийных
режимах эксплуатации.
Предметом исследования являются пожароопасные режимы работы проводов и кабелей электрических сетей и закономерности развития локальных источников зажигания.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы статистической обработки данных; методы теории вероятности и комплексный метод оценки пожарной опасности электрических сетей, включающий экспериментальное и математическое моделирование аварийных пожароопасных режимов работы проводов и кабелей.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты.
Разработана математическая модель оценки пожарной опасности проводов и кабелей электрических сетей, позволяющая исследовать процессы деструкции изоляционных материалов по величине токов утечки.
Разработан метод количественной оценки пожарной опасности электрических сетей, учитывающий изменение теплофизических параметров конструкционных материалов.
Обоснована необходимость разработки устройства защиты новой конструкции для определения аварийных пожароопасных режимов работы электрических сетей.
Определены параметры аварийных пожароопасных режимов работы для ряда типов проводов и кабелей объектов народного хозяйства, что позволяет обеспечить пожарную безопасность осветительных и силовых электрических сетей в соответствии с требованиями пожарной безопасности.
Обоснованы основные параметры функционального построения устройства защиты, позволяющего одновременно оценивать аварийные режимы работы электрических сетей и возникающие в них токи утечки.
Практическое значение диссертационной работы заключается в том,
что:
- полученные результаты позволяют обеспечить требуемый уровень
(критерий) пожарной безопасности электрических сетей;
- проведена многофакторная количественная оценка пожарной опасности
проводов (кабелей) и аварийных режимов работы электрических сетей;
- обосновано расширение функциональных возможностей устройств
защитного отключения на основании разработки новой конструкции
безбалансного трансформатора тока;
разработано новое многофункциональное устройство защиты электрических сетей, в котором компенсация сигналов небаланса позволяет на порядок повысить чувствительность устройств защитного отключения.
разработан инженерный метод оценки пожарной опасности электрических сетей, позволяющий проводить комплексную количественную оценку пожарной опасности проводов и кабелей при одновременной оценке аварийных режимов их работы и возникающих в них токов утечки.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается значительным объемом экспериментальных исследований; использованием строгих аналитических методов моделирования и математической статистики при обосновании основных положений; практическим использованием разработанного метода при создании новых устройств защитного отключения.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы использованы:
при разработке и создании новой техники на ФГУП «СІЮ «Аналитприбор», в частности при разработке нового устройства защитного отключения;
в изобретении (Патент РФ № 2244972. Дифференциальный трансформатор тока. Заявка № 2003117112/09, зарегистрировано 20 января 2005г, опубликовано: 20.01.2005 Бюл. № 2.);
в изобретении (Патент РФ № 2260865. Дифференциальный трансформатор тока. Заявка № 2003133250/09, зарегистрировано 20 сентября 2005г, опубликовано: 20.09.2005 Бюл. № 26.);
в учебном процессе Академии ГПС МЧС России при совершенствовании дисциплины «Пожарная безопасность электроустановок».
Внедрение результатов работы подтверждено актами ФГУП «Смоленское производственное объединение «АНАЛИТПРИБОР», ОАО «Электроаппарат» г. Курска и компании «ИНТЕРЭЛЕКТРОКОМПЛЕКТ» г. Москвы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 7 международных конференциях и 1 всероссийской научно - практической конференции:
- Девятая, Десятая, Двенадцатая, Четырнадцатая Международная
конференция «Системы безопасности» Международного форума
информатизации, г. Москва, 2000,2001,2003,2005;
- XVII Международная научно-практическая конференция «Пожары и
окружающая среда», г. Москва, ВНИИПО, 2002;
- X, XI Международная конференция «Проблемы управления
безопасностью сложных систем», г. Москва, 2002,2003;
- XVIII Всероссийская научно-практическая конференция «Снижение
риска гибели людей при пожарах», г. Москва, ВНИИПО, 2003.
На зашиту выносятся:
Метод количественной оценки пожарной опасности проводов и кабелей электрических сетей.
Математическая модель пожарной опасности электрических сетей.
Устройство защиты от аварийных пожароопасных режимов работы электрических сетей.
Публикации. Результаты диссертационного исследования опубликованы
в 18 работах, в том числе: в 7 международных конференциях, в 1 сборнике трудов Академии ГПС МЧС России, 2 изобретения и в 1 учебно-методической разработке.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации - 181 страниц машинописного текста; 26 рисунков и 19 таблиц; список литературы из 126 источников; приложения на 19 страницах.
Автор считает приятным долгом выразить благодарность руководству Академии ШС МЧС России, всему профессорско-преподавательскому составу и лично: научному руководителю к.т.н., доценту Н.П. Костареву; д.т.н., профессору В.И. Зьпсову; к.т.н., профессору В.Н. Черкасову; д.т.н., профессору М.Д. Безбородько; д.т.н., профессору Н.Г. Топольскому; Ю.Н. Анисимову; с.н.с. Р.А. Яйлияну; к.т.н., доценту Н.П. Блудчему; сотрудникам ФГУ ВНИИПО МЧС России за помощь и поддержку в проведении диссертационных исследований.
Состояние вопроса обеспечения пожарной безопасности электрических сетей и электроустановок
Современные способы передачи и распределения электрической энергии на различных объектах энергетики, промышленности, сельского хозяйства, в жилых и общественных зданиях предполагают широкое применение электрических кабелей и проводов (кабельных изделий). Массовое использование кабельных изделий выдвигает на одно из первых мест проблему оценки их пожарной опасности.
В большинстве промышленно-развитых стран из-за неисправности и неправильной эксплуатации электроустановок ежегодно происходит 20-25% пожаров, причем имеется тенденция к их увеличению [17]. Результаты проведенного исследования и последующего анализа, представленные на рис. 1.1, показывают, что число пожаров от электроустановок в нашей стране составляет более 23% от общего количества пожаров [62]. Потери от пожаров, источником зажигания которых стали электроустановки, достигают более 25% от общего числа потерь (см. табл. 1.1).
Были проведены исследования динамики роста пожаров и последствий от них по основным видам электроизделий (см. приложение П.1). Результаты исследований за 2001 год представлены в табл, 1.2 и в таблицах приложения 1 в виде статистических данных о пожарах и ущерба от них по основным видам электротехнических изделий на территории Российской.
Результаты анализа статистического материала показывают, что загорания электропроводок являются причиной более 50 % всех пожаров от электротехнических изделий и показатель этот с каждым годом увеличивается. Материальные потери от загорания электропроводок больше чем материальные потери от других пожаров. Так полные потери от пожаров по причине загорания проводов и кабелей за 1995 г. составили 3,5 млрд. руб., а за 2001 г. уже составили более 4,1 млрд. руб. (см. табл. 1.2).
Подобная динамика роста материальных потерь объясняется тем, что кабельные коммуникации размещаются в сооружениях (шахты, потерны, каналы, тоннели, коллекторы и т.д.) где, как правило, нет визуального контроля, позволяющего еще на стадии возникновения и развития источника зажигания определить его наличие и местонахождение. Отличительной особенностью кабельных линий (КЛ) является их значительная протяженность и высокая концентрация горючих изоляционных материалов на единицу длины прокладки электрического кабеля. Именно эти обстоятельства повышают вероятность возникновения и развития пожара. В качестве примера в табл. 1.3 приведена горючая нагрузка электрических кабелей различных марок [13, 50].
По результатам проведенного исследования представляется возможным, основные причины загораний электропроводок и электрических кабелей классифицировать по следующим видам:
1. Короткие замыкания между жилами кабеля, жилами кабеля и землей из-за: - пробоя изоляции коммутационным или грозовым перенапряжением; - пробоя изоляции в следствие старения и воздействия повышенной влажности или агрессивной среды, внешнего или внутреннего, локального, теплового и механического воздействия.
2. Перегрев и воспламенение изоляции от токовой перегрузки в результате: - подключения потребителей завышенной мощности; - ухудшения теплоотвода, отказа вентиляции.
3. Перегрев мест переходных соединений в результате: - ослабления контактных соединений, токопроводящих жил; - окисления соединенных проводов.
Таким образом, можно утверждать, что многие причины загорания электроустановок являются общими. В частности, все они зависят от теплового проявления электрического тока и горючести электроизоляционных материалов. Воспламенение горючей изоляции приводит к вторичным коротким замыканиям в электрических цепях.
Снижение пожарной опасности электроустановок возможно при условии постоянного контроля электрических сетей в нормальном режиме эксплуатации. В случае возникновения аварийных режимов работы электрических сетей необходимо надежное отключение электроустановок аппаратами защиты, которые реагируют на пожароопасные факторы.
Вместе с тем, широко используемые в настоящее время аппараты защиты (автоматические воздушные выключатели, предохранители и тепловые реле магнитных пускателей) не во всех случаях выполняют возложенные на них функции.
Характерным примером возникновения пожарной опасности при закономерном снижении сопротивления изоляции - R„3, является случай развития короткого замыкания от теплового проявления тока утечки - Іуг в электрических сетях с занулением. Исследование режимов негативного воздействия токов утечки на величину сопротивления изоляции электрических кабелей и проводов и обобщение результатов проведенных исследований будут представлены в последующих разделах диссертационной работы.
Статистический метод оценки пожарной опасности электроустановок
Имеется несколько методик, использующих вероятностно-статистический подход, применяемый в период проведения испытаний электрических цепей и материалов, где одновременно рассматривается горючий материал и источник зажигания.
Одной из первых методик, объединяющих горючую среду и источник зажигания, является теория искробезопасности цепей [61]. Это направление, рассматривает процесс воспламенения изоляции проводов и кабелей разрядами, возникающими в электрических цепях при их коммутации. Известные работы в этой области ставят своей целью определить безопасные режимы работы электрических цепей [61, 85].
Исследователи доказали, что процесс воспламенения носит вероятностный характер. Экспериментально была установлена связь между вероятностью воспламенения и зажигающим током. Это позволило комплексно оценить зажигающую способность электрического разряда, зависящую от большого количества факторов: напряжения, тока, индуктивности в цепи, длительности разряда, формы разряда, материала, состояния поверхности и скорости движения электродов при размыкании; концентрации, давления взрывоопасной смеси и т.п. Большинство из перечисленных факторов являются трудно контролируемыми при эксперименте, а полученные результаты имели слабую сходимость, так как в силу перечисленных случайных причин разряды при коммутации одной и той же электрической цепи отличаются друг от друга по многим параметрам.
В работе [60] B.C. Кравченко решена практическая задача по количественной оценке искрения, достаточной для определения граничного значения зажигающего тока. Оказалось, что для самых разнообразных условий искрообразования, вероятность воспламенения электроизоляционных материалов является функцией значения зажигающего тока. Найденная закономерность показала, что не существует четкой границы между опасным и безопасным значением тока, а имеется плавный переход от больших величин токов, при которых происходит однозначное воспламенение, к малым токам, при которых воспламенение мало вероятно. В этом «переходе» и проявляются статистические закономерности. Найденная закономерность распределения вероятностей воспламенения позволяет на основании сравнительно небольшого числа экспериментов определить значение зажигающего тока. Из этого следует, что вероятностные зависимости являются эффективным средством определения пожаробезопасное электрических цепей. Поэтому, в соответствии с требованиями пожарной безопасности, каждое изделие в индивидуальном порядке должно подвергаться испытаниям при штатном и аварийном режимах.
Вероятность появления случайных источников зажигания определяется из статистического анализа известных случаев загораний, в которых достаточно точно определена энергия, вызвавшая загорание.
Вероятностно-статистические методы привлекаются для обработки получаемых данных при определении зажигания материала изоляции силовых электропроводови кабелей в случае возникновения коротких замыканий.
В работах Г.И. Смелкова [99], Б.И. Кашолкина [53], Г.В. Бокова [16] разработаны методы оценки пожарной опасности электропроводов по методу кратного тока короткого замыкания. Испытанию подвергались образцы проводов, длиной 1 метр каждый, в середине которых для удобства проведения опытов устраивали локальные нарушения изоляции. Образцы подсоединялись одной стороной к сети переменного тока, питаемой от трансформатора мощностью 180 - 320кВт, а с другой - к ротору электродвигателя. Это практически исключало влияние источника питания на результаты экспериментов. Включался электродвигатель, и проводилось скручивание образцов проводов. По результатам испытаний было видно, что короткое замыкание проводников происходит в момент касания оголенных участков образцов. Токи замыканий достигали значений 1000 - 2000А. Результаты экспериментов осциллографировались и по осциллограммам определялся ток и длительность короткого замыкания. В качестве критерия оценки токовой нагрузки в данной методике использовалось следующее отношение:
К.—Ікз ідл.доіи (l v где К - кратность тока; 1Ю - ток короткого замыкания; Ідлдоп - длительно допустимое значение тока для данного типа и сечения провода. В перечисленных работах приведены данные по определению минимальных и максимальных значений кратности тока короткого замыкания для принятого уровня вероятности воспламенения изоляции электрических проводов. Обработка результатов эксперимента производилась с привлечением вероятностно-статистических методов, т.к. результаты экспериментов имели значительные разбросы. В работе [54] первоначально определялась статистическая вероятность воспламенения - Рв изоляции проводов в зависимости от продолжительности короткого замыкания -тю , при фиксированных значениях кратности тока - К как функция: Рв=Ц%з). (1.5) Статистическая вероятность воспламенения находилась из соотношения P=m/n, (1.6) где m - количество воспламенений; п - число экспериментов.
Продолжительность короткого замыкания в условиях отсутствия защиты зависит от времени «пережога» токоведущих жил. Поэтому для определения минимальных и максимальных кратностей тока необходимо нахождение зависимости времени пережога - тп от кратности тока короткого замыкания. Время пережога при фиксированных значениях кратности тока находилось по методу доверительных интервалов и доверительной вероятности. При этом за максимальную кратность тока короткого замыкания принимается величина, соответствующая вероятности воспламенения изоляции провода (уровню значимости) равная значению 10 2.
Полученные данные показывают, что воспламенение поливинилхлоридной изоляции медных проводов находится в диапазоне кратностей тока от 5 до 35, а для проводов с резиновой изоляцией - в диапазоне от 6 до 45. Существование диапазона кратностей воспламенения изоляции от теплового источника типа короткого замыкания объясняется тем, что при указанных значениях кратности тока, время «пережога» соизмеримо со временем задержки зажигания - t материала изоляции.
Таким образом, можно сделать вывод, что вероятностно-статистический подход не дает возможности количественно оценить опасность воспламенения электроизоляционных материалов проводов и электрических кабелей в период их эксплуатации.
Системы классификации электроизоляционных материалов по нагревостойкости
В настоящее время существует несколько систем классификации электроизоляционных материалов по нагревостойкости. Так, например, классификация по ГОСТ 8865-93 (МЭК 85-84) подразделяет все электроизоляционные материалы на девять классов нагревостойкости согласно табл. 2.1 [32].
Классификация по VDE (0530/2.51) (Германия), подразделяющая электроизоляционные материалы для электрических машин на шесть классов нагревостойкости: 0 - 50С, A-Ah - 65С, В - 90С, С - 140С. Классификация по SEV (№108 и 188) (Швейцария) подразделяет электроизоляционные материалы на шесть классов нагревостойкости О, A, D, В, F, С . Классификация no AIEE (США) предусматривает шесть классов нагревостойкости: 90С, 130С, 155С, 180С, 220С, выше 220С [123].
Таким образом, электроизоляционные материалы основных видов делят в отношении нагревостойкости на несколько классов, для которых устанавливают допускаемые температуры, исходя из приемлемого срока службы. Однако, нагревостойкость изоляции является не единственным критерием при нормировании допускаемой температуры для изолированных проводников, кабелей и частей аппаратов. Так например, для кабелей с бумажной изоляцией класса А (нагревостойкость 105С) принимают более низкую температуру (в пределах от 50 до 65С), что объясняется возможностью образования при более высоких температурах воздушных включений (вследствие периодического изменения температуры кабелей). Вместе с тем, опыт показывает, что нормированная температура изоляции класса А может быть превышена в течение ограниченного времени. При этом необходимо учитывать ускоренный износ изоляции, экономически оправданный требованием непрерывности электроснабжения в анормальных условиях работы сети или электроустановки.
При чрезмерном повышении температуры проводников, частей аппаратов, даже кратковременном (например, при коротком замыкании), возможны размягчение и плавление металла, выжигание изоляции, разрушение контактов и другие повреждения. Свойство аппарата или проводника противостоять кратковременному тепловому воздействию тока без повреждений, препятствующих дальнейшей исправной работе, называется термической стойкостью. Критерием термической стойкости является конечная температура, максимальное значение которой ограничивается механической прочностью металлов, температурными деформациями частей аппаратов, а также теплостойкостью изоляции. Допускаемые конечные температуры для аппаратов и проводников установлены на основании опыта и сведены в табл. 2.2 [89].
Эти значения конечных температур значительно выше допускаемых температур при нормальной работе, поскольку изменение механических свойств металлов и износ изоляции определяется не только температурой, но также продолжительностью нагревания, которая в рассматриваемых условиях мала и определяется временем срабатывания аппарата защиты при коротком замыкании. Как видно из табл. 2.2, допускаемые конечные температуры при коротком замыкании лежат в пределах от 120 до 300С, в то время как допускаемые температуры проводников при нормальной работе не превышают 60-80С.
Процесс теплового старения изоляции объясняется законом относительного износа изоляции - И, который в общем виде может быть выражен следующим выражением [118]:
Это значит, что, работая при таких перегрузках, изоляция состарится соответственно в 2,4, 8 и т.д. раза быстрее, чем при нагреве на 40С.
Опыты показали, что срок службы изоляции класса А (пропитанные жидким диэлектриком хлопок, шелк, бумага и т.д.) в электродвигателях при температуре нагрева до 105С исчисляется в 15-20 лет, а при температуре 140С срок службы сокращается до нескольких месяцев.
Влияние температуры на скорость физических и химических процессов старения полимеров подчиняется общему закону, определяющему зависимость скорости химической реакции от температуры, выраженной в общей форме уравнением Вант-Гоффа-Аррениуса. Это уравнение, преобразованное для описания зависимости срока службы - L изоляционного материала от температуры, имеет следующий вид [123]: LnL = A + B/T, (2.3) где А и В - постоянные; Т - абсолютная температура.
На основании этого уравнения Монтзингером было экспериментально установлено и выведено правило восьми градусов, т.е. при увеличении рабочей температуры на 8С срок службы ее сокращается вдвое. Позднее были внесены поправки и дополнения в правило Монтзингера и выявлено, что срок службы органической и элементоорганической изоляции соответствует классу нагревостойкости. Результаты влияния увеличения рабочей температуры AT на сокращение вдвое срока службы изоляции приведены в табл. 2.3 [123].
Разработка конструкции безбалансного трансформатора тока утечки
Сигнал небаланса в трансформаторе тока утечки можно уменьшить, в случае, если каждый фазный проводник первичной обмотки, имеющей форму «винтовой линии», одинаково будет прилегать к каждому проводнику вторичной обмотки [72]. Трансформатор имеет тороидальный магнитомягкий сердечник с равномерной вторичной обмоткой и расположенную в «окне» его сердечника первичную обмотку, состоящую из фазных проводников А, В и С. Причем последние равномерно прилегают к виткам вторичной обмотки и крепятся к ней с помощью специального держателя.
Такая конструкция трансформатора позволяет уменьшить сигнал небаланса, но не дает возможности избавиться от него полностью, т.к. в зависимости от асимметрии нагрузки в каждой фазе первичной обмотки могут протекать разные по величине токи. Поэтому магнитная связь проводников первичной обмотки с проводниками вторичной обмотки не равна нулю и во вторичной обмотке трансформатора наводится сигнал небаланса. Последний при появлении токов утечки может уменьшаться. Изменение потребляемой мощности приводит к изменению сигнала небаланса, т.е. изменяется чувствительность прибора к токам утечки.
Наиболее простым техническим решением по уменьшению сигнала небаланса является использование трансформатора тока утечки, в котором между первичной и вторичной обмотками трансформатора располагают экран из магнитомягкого материала [120]. В конструкции трансформатора экран замыкает на себя потоки рассеяния первичной обмотки, уменьшая потокосцепление с вторичной обмоткой, а значит уменьшает и сигнал небаланса. В результате проведенных исследований было определено, что трансформатор работает нестабильно при изменении мощности потребителя. Поэтому для сохранения стабильности и обеспечение требуемой чувствительности к токам утечки, возникает необходимость в изменении конструкции экрана.
Для уменьшения сигнала небаланса предлагается два следующих способа [80]. В соответствии с рис. 3.5, а компенсация сигналов небаланса е й и сложение полезных сигналов е происходит при последовательном соединении вторичных обмоток. В этом случае через два одинаковых сердечника с идентичными и одинаково ориентированными вторичными обмотками пропущены фазные проводники. Однако, в первом сердечнике они развернуты на 180 по отношению ко второму сердечнику.
Первый способ компенсации потоков рассеяния может быть выполнен на одном сердечнике [4, 5]. Указанная цель достигается соответствующим способом включения первичной обмотки. Предлагается каждую фазу первичной обмотки трансформатора выполнить в виде секции, которая состоит из двух одинаковых параллельно соединенных проводников, расположенных диаметрально противоположно в окне сердечника и одинаково прилегающих к виткам вторичной обмотки (см. рис. 3.6).
На рис. 3.6 показана конструкция трансформатора тока утечки [82]. На разрезе А-А позицией 2 отмечена секция одной из фаз первичной обмотки. Данный трансформатор состоит из тороидального магнитомягкого сердечника - 1 и первичной обмотки - 2, расположенной в окне сердечника трансформатора. Первичная обмотка состоит из секций фазных проводников А, В и С, расположенных относительно друг друга под углом 120 и одинаково прилегающих к виткам вторичной обмотки - 3, которая равномерно намотана на сердечнике. Первичная обмотка фиксируется со вторичной обмоткой с помощью держателя - 4.
Снаружи магнитопровода, для уменьшения сигнала наводки от внешних электромагнитных полей, располагается разборный экран из магнитомягкого материала - 5, позволяющий изменять электромагнитную связь между первичной и вторичной обмотками за счет резьбового соединения - 6 при изменении мощности нагрузки для нормирования сигнала небаланса. Экран крепится к сердечнику с помощью пружин - 7.
Принцип действия данного трансформатора тока аналогичен принципу действия известных трансформаторов тока. Однако, отличие состоит в том, что каждая система фазных проводников: А , В , С и А", В", С" (см. рис. 3.6) создает потоки рассеяния, которые в каждый момент времени векторно противоположны друг другу и взаимокомпенсируются. Это происходит независимо от асимметрий нагрузки и технологических погрешностей, которые могут возникнуть в процессе изготовления трансформаторов, но зависит от неравномерности намотки вторичной обмотки.
Большой объем полученных экспериментальных данных показал, что таким способом сигнал небаланса можно уменьшить в несколько раз. Это позволяет повысить чувствительность предлагаемого устройства защиты от токов утечки, а так же упростить конструкцию этих устройств и расширить их функциональные возможности. При одних и тех же габаритах трансформатора тока за счет «расщепления» фазных проводников можно осуществлять защиту мощных электроприемников, так как увеличиваются допустимые значения токов, проходящих через секции фазных проводников.
На основе проведенных экспериментальных исследований можно утверждать, что уменьшение сигнала небаланса в большей степени достигается применением многосекционных первичных обмоток. В этом случае в каждой фазе первичной обмотки должно быть 2п одинаковых, параллельно соединенных проводников (где п - количество секций на каждую фазу). Всего в первичной обмотке должно быть расположено 6п одинаковых проводников. Расстояние между проводниками одной фазы многосекционной обмотки составит 180/п, а расстояние между смежными проводниками - 60/п. Проводники располагают чередующимися в порядке следования фаз.
