автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем

На правах рукописи

СИДОРОВ Дмитрий Игоревич

РЕЛЕ ТОКА НА ОСНОВЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Специальность: 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 7 ЯНЗ ¿311

Краснодар -2010

4843272

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Коробейников Борис Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Григораш Олег Владимирович

кандидат технических наук, доцент Самородов Александр Валерьевич

Ведущая организация: ОАО «Научно-производственная компания

«Ритм»

Защита диссертации состоится 8 февраля 2011 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.06 Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Старокубанская, 88/1, С-410

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2А

Автореферат разослан: 6января 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.100.06, канд. техн. наук, доцент

Копелевич Л.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение эффективности работы электрических сетей является одной из актуальных задач, связанных с увеличением надежности электроснабжения потребителей электрической энергии, которая может быть обеспечена только при широком применении современных технических средств управления, в том числе релейной защиты.

В настоящее время широкое применение в России и за рубежом имеют релейные защиты, основанные на применении микропроцессорной техники. Однако, несмотря на технические и информационные достоинства микропроцессорные терминалы имеют отказы в своей работе при возникновении аварийных ситуаций в электрических сетях, количество которых в некоторых случаях превышает отказы релейной защиты на электромагнитной базе.

Таким образом, повышение технического совершенства релейной защиты электрических сетей имеет важное значение для обеспечения надежности потребителей электрической энергии.

Токовые релейные защиты являются основными для защиты электрических сетей всех уровней напряжения и основаны на использовании токовых реле. При этом для реализации токовых защит используются различные информационные признаки, которые формируются исходя из поставленных задач обеспечения надежной работы токовых реле в переходных режимах и при искажениях информации. В настоящее время требуется разработка новых подходов к решению данной проблемы, так как усложнения алгоритмов микропроцессорных устройств защит для улучшения их работы при искажениях информации не всегда повышает надежность работы релейной защиты и даже ухудшает технико-экономические показатели в целом. . :

Таким образом, совершенствование токовых реле на основе использования новых устройств является актуальной задачей.

Цель работы. Совершенствование токовых релейных защит электрических сетей посредством разработки реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

Задачи исследования:

- обосновать необходимость разработки новых токовых реле для совершенствования релейной защиты электрических сетей;

- разработать однофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем;

- получить математическую модель однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем;

- разработать методику идентификации параметров однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- разработать реле тока на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем;

- выполнить математическое моделирование реле тока с применением однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем;

- разработать конструкцию и экспериментальный образец предлагаемого реле тока;

- провести экспериментальные исследования токового реле в установившихся и переходных режимах.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического и физического моделирование, методы параметрической оптимизации, теория переходных процессов в электроэнергетических системах, теория пространства состояний, теория электрических цепей, теория электрических машин.

Научная новизна:

- Разработан способ получения вращающегося магнитного поля для однофазных многообмоточных трансформаторов.

- Предложены теоретические основы идентификации параметров однофазных трансформаторов для получения вращающегося магнитного поля.

- Разработана математическая модель однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

- Разработано новое реле тока с использованием трансформатора с вращающимся магнитным полем.

Практическая ценность:

- Разработан и изготовлен однофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем для получения многофазной системы напряжений на вторичных обмотках.

- Предложена методика определения параметров однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

- Разработан и изготовлен экспериментальный образец реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

Для подтверждения основных теоретических выкладок были проведены экспериментальные исследования работы предложенного токового реле в установившихся и переходных режимах в лаборатории релейной защиты и автоматики ОАО «Кубаньэнерго».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:

- на заседаниях научных семинаров кафедры электроснабжения промышленных предприятий «Кубанского государственного технологического университета;

- на научно-практической конференции «Электротехнические комплексы и системы» (Краснодар, 2007, 2008,2009);

- на международной научной конференции «Технические и технологические системы» (Краснодар, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 2 -г в периодическом издании, рекомендованном ВАК России для публикации научных работ. Получен патент на изобретение.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Принципы получения вращающегося магнитного поля для однофазных цепей переменного тока на основе многообмоточных систем.

- Методику идентификации параметров однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

- Формирование информационного признака сигнала — амплитуды тока — с использованием многофазных вторичных обмоток однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

- Новое реле тока на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем и применением многофазных вторичных обмоток.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 134 страницы, 98 рисунков, 3 таблицы и 87 источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определена научная проблема, поставлены цели и задачи исследования.

В первой главе показано, что существующие токовые защиты на электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе имеют ряд принципиальных недостатков, из чего следует необходимость совершенствования токовых реле с использованием новых принципов. Предложено применение в устройствах токовых релейных защит трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Описаны существующие способы получения вращающегося поля при однофазном питающем токе, и указаны их недостатки. Во второй главе

Рассмотрена теория получения вращающегося поля при однофазном питающем токе. Определены выражения для МДС обмоток и их соотношения. Записаны основные условия получения вращающегося поля в маг-нитопроводе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем (ОТВП).

МДС первичных обмоток обобщенной четырехобмоточной схемы ОТВП (Рисунок 1) определяются как:

Г^-Рг-Р^е'Ь-е»-,

К =-ръ^а2 +Ь2 -Ртб -е'""; где Ртб - МДС базисной обмотки.

Щ м'2

Р\ =—; р2 =—; Рз =—

М\

а и Ь - соответственно активная и реактивная составляющие отношения токов в ветвях ОТВП

Используя выражения, записанные выше, получены результирующие МДС каждой из ветвей:

Приведенные соотношения результирующих МДС к базовой характеризует насколько они изменяются в ОТВП по отношению к базовой:

К/1 КП =-7Г-- (2)

Гтб тб

рехобмоточной схемы ОТВП

Для ОТВП с двумя ветвями, угол а — Р2~ Р\ показывает фазовый сдвиг между двумя токами ¡\ и /2 ветвей.

Кп= |(1 -ар3) + ]Ъръ | = + (а2 + Ъ2)-р1-2ар„

I--(3)

К/2 = |(<¥>, ~Рг)~М| = +Ь2)-р1+ р1 -2архр2.

Таким образом, равенство МДС каждой из двух групп обмоток обеспечивается равенством:

Известно, что для выполнения условия равенства и перпендикулярности векторов в комплексной плоскости необходимо и достаточно одновременное выполнение следующих равенств:

Ке(^я) = 1т(А:/2)1 Ке(^/2) = 1т(А:/1)}'

С учетом системы, записанной выше, а так же выражения (7), записано следующее условие получения вращающегося поля в магнитопроводе ОТВП:

\-аръ=Ър, 1

(4)

аР\ -р2=т}

Откуда найдены значения а и Ь:

п_РхРг+Рз.

2 2 ' Р\ +Рз

ъ=Р\~Рг-Рг 2 2 Р\ + Рз

(5)

Исходя из выражений для Кд и Кр_ записано следующее соотношение для идеального вращающегося поля:

Результирующая МДС для ОТВП с идеальным вращающимся полем, определятся как:

ПГ,0 = ■ Fm6 ■ sin(atf - y) = • • sin(W - y). (7)

SPi +Ръ

Таким образом, определение результарующей МДС сводится для ОТВП к определению МДС базовой обмотки и последующем умножении ее на полученный коэффициент Kf, зависящий от конструкции и схемы ОТВП.

Предложена схема реле тока на основе ОТВП (Рисунок 2). Разработана математическая модель ОТВП и реле тока на его основе в матричной форме в обобщенном и частном видах. Приведена математическая модель для ОТВП с n-фазной системой выходных обмоток:

В матричной форме данная математическая модель выглядит следующим образом:

J = R-i+L dt'

J-RB 0 0 0 0 ... 0 0|;

I'll '12 hi '22 •••

0 0 0 0

Ri2 0 0 0 0

0 0 Ли 0 0 0

0 0 0 -^22 0 0

0 0 0 0 ••• 0

0 0 0 0 0

¿п Мп М, з

М21 Цг Мг з м24 . •

М31 мп Ь2Х Л/34 . ■ Мг („-.)

1 = Мп МА2 ^43 ь22 . • М4(„-,) м4„

■^(11-1)2 ^(„-1)3 Л/(и-1)4 ■•

Мл Мп2 ■ ^„(„Ч)

ток измерительного трансформатора тока,

1*4 — активные сопротивления первичных и вторичных обмоток ОТВП, а так же нагрузок вторичных обмоток

М, — взаимные индуктивности первичных и вторичных обмоток ОТВП Ь, — собственные индуктивности первичных и вторичных обмоток ОТВП, - токи в ветвях схемы ОТВП.

На основе приведенных уравнений составлена математическая модель токового реле на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, электрическая схема которого показана на рисунке 3. ©

Л§> КвП

Рисунок 2 - Схема ОТВП с п-фазной системой выходных обмоток

Рисунок 3 - Структурная схема реле тока на основе ОТВП

Записана математическая модель реле тока на основе ОТВП в виде следующей системы уравнений:

Жв=Я-1 + 1-—,

и=1в-яи,

ивыпр = тах(а6л(£/)),

цп.^вых I тт =с/

^ Т и вых и выпр >

иВЫХ — и ПОРОГ.

где и вых - п-фазная система выходных напряжений ОТВП; Ивыпр ~ напряжение на выходе выпрямителя; Ивых— выпрямленное напряжение после сглаживающего элемента;

и порог- величина уставки реле.

Так же рассмотрена работа реле тока при насыщении трансформаторов тока в установившихся и переходных режимах.

Для получения вращающегося поля в магнитопроводе ОТВП, необходимо определение параметров схемы трансформатора.

Третья глава посвящена идентификации параметров однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Предложена общая методика определения параметров элементов различных схем ОТВП на основе методов параметрической оптимизации.

Произведена идентификация параметров нескольких схем ОТВП с учетом активных сопротивлений обмоток и без него. Построены векторные диаграммы, иллюстрирующие работу каждой из схем. Рассмотрен метод идентификации параметров обмоток ОТВП в общем виде. Для обобщенной схемы (Рисунок 4,а): (I = (/о)/, + Л, + + Л, + ]озЬБ ) - /2 Ц<оМхг + у озМи ) и = -/, (]а)Мп + ]аМм ) + /2 (]соЬ2 + ^ + )СоЬ4 +ИА+ЯБ)

Параметры элементов обобщенной схемы замещения в относительных единицах записаны ниже:

I, = Ь, ¿2 = р\Ь, 4 = р1Ь,Ьл - р]Ь,

Л, = Я, Л, = ргИ, Л, = ргЛ, Д4 - р4Я,

,--(9)

Мп = = рг1, М34 = р3р,Ь

После подстановки (9) в (8) и ряда преобразований системы уравнений, получаем выражение следующего вида:

11(р1,р2...р„) = [а(р1,р2...рп) + }Ъ(р1,р2...рп)]-\2(р],р2...рп) Для получения вращающегося поля необходимо и достаточно, чтобы результирующие МДС каждой из обмоток были равны по модулю и взаи-моперпендикулярны. Математически это условие записывается следующим образом:

К(РиРг-Рп)

т

а) б) в)

Рисунок 4 - Основные схемы соединения первичных обмоток ОТВП Выражения для результирующих МДС каждой из двух групп встреч-новключенных обмоток ОТВП записаны ниже:

Р1 = к,/, -у>2121 р2=Щ11-№412\

Используя соотношение для токов // и 12 .получаем:

/у' = а~Р2 + | /; = р3а-р4+]'р3Ь\

Очевидно, что данные равенства будут справедливы тогда и только тогда, когда действительная части комплексной МДС Р, будет численно равна мнимой части Р2 . Условие получения вращающегося, будет выглядеть следующим образом:

Я~Р2 = РзЬ Рза~ Р4 -

При решении задачи идентификации параметров ОТВП, необходимо учитывать следующие условия:

Целевая функция для решения задачи оптимизации в общем виде имеет следующий вид:

Q(PnP2-Pn) = [(a-p2)2~(Psb)2]2+[(p3a-p4)2-b2]!-^min, mi </?,. <nt,

где /и, и и, ограничения на параметры по условиям физической реализуемости.

Целевая функция для четырехобмоточной схемы ОТВП (рисунок 4,6)

где ki и кг — весовые множители.

Значения искомых независимых переменных:

р! = 0,7043, р2 = 1, 4128, р3 = 2,8589, р4 = 3, 8296,

Целевая функция для трехобмоточной схемы ОТВП (рисунок 4,в)

Q=K[(Pi~Р2а)2 + Р\Ь2 ~ I)]2 + к2[р,-р2а]2->• min

п^р^т,, i = 1...3,

где к] и кг - весовые множители.

Значения искомых независимых переменных:

pi=7,l, р2=3,38, рз=5,2.

Целевые функции имеют достаточно сложную форму и, как правило, имеют несколько локальных оптимумов в зоне физической реализуемости, для поиска которых были построены проекции этих функций на оси неко-

ей а — р2 — p3b —> min е2 = р3а - p4~b-> min

Q = k,[(a-p3?-p2b2]2 +к2[(р3а-р4)2 -Ъ2]2 min, щ<р,<щ,

торых параметров. На рисунках 5, 6 проиллюстрирован поиск минимума целевой функции для идентификации параметров трехобмоточной схемы

отвп.

На основе вида целевых функций и их проекций на различные подпространства параметров, получены ограничения на параметры элементов различных схем ОТВП по условиям физической реализуемости.

и р3 соответственно.

Рисунок 6 — Проекция целевой функции на подпространство параметров р| ир3.

Рисунок 7 - Структурная схема модели реле тока на основе ОТВП, выполненная в среде МАТЬАВ

В четвертой главе предложена конструкция реле тока на основе ОТВП, приведены схемы первичных и вторичных обмоток трансформатора, части сравнения реле.

На основе разработанных методик произведено определение параметров элементов схемы экспериментального образца ОТВП.

Приведены результаты реализации разработанной математической модели в среде MATLAB® (Рисунок 7).

Математическая модель ОТВП реализована на основе блока StateSpace среды MATLAB, который представляет собой динамический объект, описываемый уравнениями пространства состояний:

х = Ах + Ви | у =Сх+ DuJ

где и - входной вектор размеров 8x1, описывающий 8 независимых источников шесть из которых нулевые для нашей задачи

у - вектор описывающий 8 выходов и имеющий размерность 8x1;

х - вектор размером 8x1, описывающий соответствующее количество независимых переменных;

А, В, С, D - постоянные действительные матрицы соответствующего

размера, причем A-—L]-R, В = L~\ Матрица С - диагонально-единичная размером 8 х 8, а D - нулевая той же размерности.

Решение составленных уравнений и анализ схемы, изображенной на рисунке 4 производился в среде MATLAB® с использованием блока «State-Space model». ОТВП для оценки эффективности его использования был подключен к многофазному выпрямителю.

В результате проведенных исследований получена временная диаграмма работы схемы (рисунок 8,9).

Рисунок 8 — Временная диаграмма первичных токов и вторичных напряжений ОТВП

Причем, 1вх - входной ток ОТВП, 11,12 - токи параллельных ветвей ОТВП, и2 — соответственно вторичная шестифазная система напряжений и напряжение на выходе многофазного выпрямителя.

Для подтверждения принципов получения вращающегося поля при питании однофазным напряжением, без использования фазосдвигающего конденсатора, собран экспериментальный образец однофазного трансформатора вращающегося поля. На вход ОТВП подается ток с действующим значением в 1А, форма которого изменяется от синусного, т.е. неискаженного до искаженного насыщением измерительного трансформатора тока с погрешностями 10,30 и 50%. Осциллографируется суммарный ток ОТВП, токи в каждой ветви, а также Э.Д.С. всех шести вторичных обмоток. По результатам измерений строится годограф МДС, который, в относительных единицах, приведен на рисунке 10 (сигнал без искажений).

Г - I ! " - 4 •• #• • « к f . iahr | > 1 p . Ii Щ SfflflШш11

г 1 ЩИИ f

щщщ

ei

у^---—

\ / . UfeÄ

Рисунок 9 — Осциллограмма первичного тока, вторичных напряжений реле

тока на основе ОТВП с указанием положения основного контакта

а) б)

Рисунок 10 - Годографы МДС ОТВП при синусоидальном (а) и искаженном (б) входном токе, o.e.

Так же в данной главе показаны результаты испытаний опытного образца реле тока на основе ОТВП в лаборатории релейной защиты ОАО «Кубаньэнерго». Произведено сравнение работы нового реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем с работой серийно выпускаемых реле РТ-40 и РСТ-13. Исследования показали, что разработанное реле имеет высокую точность работы в режимах с перегруженными трансформаторами тока (Рисунок 11).

Рисунок 11 — Зависимость погрешности срабатывания реле от насыщения измерительных трансформаторов тока

Проведенные испытания показали, что при искажении по току £=50%, погрешность срабатывания нового реле - около 7%, для сравнения у РТ-40 и РСТ-13 она достигает соответственно 56% и 42%.

Из представленных графиков видно, что использование измерительных органов на основе систем с вращающимся магнитным полем вместе с многофазным выпрямления позволяет значительно уменьшить пульсации выходного сигнала, а также значительно повышает быстродействие и точность работы реле.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие выводы и результаты:

- Существующие токовые релейные защиты на электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе имеют ряд принципиальных недостатков.

- Предложено реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, реализующее получение информационного признака входного тока — амплитуды без использования математических алгоритмов.

- Разработаны теоретические основы формирования вращающихся магнитных полей с использованием четырех обмоточной схемы включения первичных обмоток ОТВП.

- Разработана обобщенная математическая модель ОТВП для п-фазной систем вторичных обмоток и реле на его основе.

- Для целей практической реализации предложена математическая модель ОТВП с шестифазной системой выходных обмоток.

- Разработана методика идентификации параметров ОТВП с использованием теории параметрической оптимизации.

- Разработана конструкция реле тока на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем и изготовлен его экспериментальный образец.

- Произведены численные и физические эксперименты, в ходе которых доказаны преимущества реле тока на основе ОТВП перед выпускаемыми промышленностью образцами, при работе от перегруженных трансформаторов тока.

ПЕРЕЧЕНЬ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК, патенты

1. Сидоров, Д.И. Реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем/ Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров, Д.А. Литягин//Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. — 2010 №2. — с.67-69

2. Сидоров, Д.И. Реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем/ Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров, Д.А. Литягин//Энергетик. -2010 №9. -с.36-38

3. Патент РФ №2333562 Однофазный трансформатор вращающегося поля [Текст] / Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров. - Заявл. 4.06.2007. Опубл. 10.09.2008.

Публикации в других изданиях

4. Сидоров, Д.И. Определение параметров однофазного трансформатора с вращающимся полем без учета активных сопротивлений обмоток [Текст]/ Б.А. Коробейников, А.И. Ищенко, Д.И. Сидоров, В.М. Радионов//Электроэнергетические комплексы и системы. Сборник научных статей. — 2008. - С. 8-11.

5. Сидоров, Д.И. Определение параметров однофазного трансформатора с вращающимся полем по схеме с четырьмя обмотками без балансного дросселя [Текст]/Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров //Электроэнергетические комплексы и системы. Сборник научных статей. -2009.-С. 7-12.

6. Сидоров, Д.И. Работа однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем в режиме холостого хода/ Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров, Д.А. Литягин// Электроэнергетические комплексы и системы. Сборник научных статей. - 2008. - С. 15-20.

7. Сидоров, Д.И. Работа однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем в режиме короткого замыкания/ Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров, Д.А. Литягин// Электроэнергетические комплексы и системы. Сборник научных статей. — 2008. — С. 154-158.

8. Сидоров, Д.И. Определение параметров однофазного трансформатора с вращающимся полем по схеме с четырьмя обмотками без балансного дросселя [Текст]/ Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров

//Электроэнергетические комплексы и системы. Сборник научных статей. -2009.-С. 7-12.

9. Сидоров, Д.И. Определение параметров однофазного трансформатора с вращающимся полем по схеме с четырьмя обмотками без балансного дросселя и учетом активных сопротивлений обмоток [Текст]/ Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров //Электроэнергетические комплексы и системы. Сборник научных статей. - 2009. - С. 12-18.

10. Сидоров, Д.И. Определение параметров однофазного трансформатора с вращающимся полем по схеме с тремя обмотками [Текст]/ А.И. Ищенко, Д.И. Сидоров, А.Б. Коробейников //Электроэнергетические комплексы и системы. Сборник научных статей. - 2009. — С. 18-23.

11. Сидоров, Д.И. Определение параметров однофазного трансформатора с вращающимся полем по схеме с тремя обмотками и учетом активных сопротивлений [Текст]/ А. М. Смаглиев, Д.И. Сидоров //Электроэнергетические комплексы и системы. Сборник научных статей. -2009.-С. 23-29.

12. Сидоров, Д.И. Реле напряжения на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем [Текст]/ А.Б. Коробейников, Д.И. Сидоров, A.A. Бирюков, Д.А. Литягин //Электроэнергетические комплексы и системы. Сборник научных статей. - 2009. - С. 123-125.

13. Сидоров, Д.И. Экспериментальный образец реле напряжения на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем [Текст]/ А.Б. Коробейников, Д.И. Сидоров, A.A. Бирюков, Д.А. Литягин //Электроэнергетические комплексы и системы. Сборник научных статей. -2009.-С. 125-128.

Подписано в печать 29.12.2010. Гарнитура Тайме. Печать ризография. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5 Заказ №005. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии «Оливия-Арт» г. Краснодар, ул. Ставропольская, 107/8, т. 278-99-70

Введение.2

Глава Обоснование необходимости разработки реле тока на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем.6

1.1 Токовые защиты в системах электроснабжения.6

1.2 Микропроцессорные терминалы токовых защит.14

1.3 Вращающиеся магнитные поля и их получение при питании от однофазного источника тока.18

1.4 Выводы.25

Глава Математическая модель ОТВП.27

2.1 Реле тока на основе ОТВП.27

2.2 Теоретические основы построения однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.29

2.3 Определение полной индуктивности базовой обмотки ОТВП. 38

2.4 Обобщенная математическая модель ОТВП в матричной форме42

2.5 Математическая модель ОТВП с шестифазной системой выходных обмоток.49

2.6 Математическая модель реле на основе ОТВП.54

2.7 Работа реле тока на основе ОТВП при насыщении измерительного трансформатора тока.56

2.8 Выводы по главе.61

Глава Идентификация параметров однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.63

3.1 Выбор метода поиска минимума целевой функции.63

3.2 Теоретические основы идентификации параметров однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.66

3.3 Идентификация параметров симметричной четырехобмоточной схемы ОТВП.69

3.4 Идентификация параметров симметричной четырехобмоточной схемы ОТВП с учетом активных сопротивлений.72

3.5 Идентификация параметров несимметричной четырехобмоточной схемы ОТВП.75

3.6 Идентификация параметров несимметричной четырехобмоточной схемы ОТВП с учетом активных сопротивлений.80

3.7 Идентификация параметров несимметричной трехобмоточной схемы ОТВП.84

3.8 Идентификация параметров несимметричной трехобмоточной схемы ОТВП с учетом активных сопротивлений обмоток.88

3.9 Практическая идентификация трехобмоточной схемы ОТВП с учетом активных сопротивлений.92

3.10 Выводы.94

Глава Разработка и экспериментальное исследование опытного образца реле тока на основе ОТВП.95

4.1 Конструкция реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.95

4.1.1 Конструкция магнитопровода ОТВП.95

4.1.2 Схемы обмоток ОТВП.96

4.1.3 Схема сравнения реле тока на основе ОТВП.99

4.2 Определение параметров схемы замещения ОТВП.102

4.2.1 Расчет индуктивности базовой обмотки ОТВП.102

4.2.2 Экспериментальное определение индуктивности базовой обмотки 102

4.2.3 Определение параметров схемы экспериментального образца ОТВП.103

4.3 Реализация математической модели ОТВП в среде MATLAB® 104

4.4 Реализация модели реле тока на основе ОТВП в среде MATLAB® .108

4.5 Результаты испытания экспериментального образца ОТВП 111

4.5.1 Работа ОТВП в режиме холостого хода.111

4.5.2 Работа ОТВП в режиме, близком к короткому замыканию 115

4.6 Испытание реле тока на основе ОТВП.117

4.7 Выводы.122

Повышение эффективности работы электрических сетей является одной из актуальных задач, связанных с увеличением надежности электроснабжения потребителей электрической энергии, которая может быть обеспечена только при широком применении современных технических средств управления, в том числе релейной защиты.

В настоящее время широкое применение в России и за рубежом имеют релейные защиты, основанные на применении микропроцессорной техники. Однако, несмотря на технические и информационные достоинства микропроцессорные терминалы имеют отказы в своей работе при возникновении аварийных ситуаций в электрических сетях, количество которых в некоторых случаях превышает отказы релейной защиты на электромагнитной базе.

Таким образом, повышение технического совершенства релейной защиты электрических сетей имеет важное значение для обеспечения надежности потребителей электрической энергии.

Токовые релейные защиты являются основными для защиты электрических сетей всех уровней напряжения и основаны на использовании токовых реле. При этом для реализации токовых защит используются различные информационные признаки, которые формируются исходя из поставленных задач обеспечения надежной работы токовых реле в переходных режимах и при искажениях информации. В настоящее время требуется разработка новых подходов к решению данной проблемы, так как усложнения алгоритмов микропроцессорных устройств защит для улучшения их работы при искажениях информации не всегда повышает надежность работы релейной защиты и даже ухудшает технико-экономические показатели в целом.

Таким образом, совершенствование токовых реле на основе использования новых устройств является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы кафедры электроснабжения промышленных предприятий Кубанского государственного технологического университета по теме «Совершенствование электротехнических комплексов и электроэнергетических систем».

Целью работы. Совершенствование токовых релейных защит электрических сетей посредством разработки реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- обосновать необходимость разработки новых токовых реле для совершенствования релейной защиты электрических сетей;

- разработать однофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем;

- получить математическая модель однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем;

- разработать методику идентификации параметров однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем;

- разработать реле тока на основе трансформатора с вращающимся' магнитным полем;

- выполнить математическое моделирование реле тока с применением однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем;

- разработать конструкцию и выполнить экспериментальный образец предлагаемого реле тока;

- провести экспериментальные исследования токового реле в установившихся и переходных режимах.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического и физического моделирование, методы параметрической оптимизации, теория переходных процессов в электроэнергетических системах, теория пространства состояний, теория электрических цепей, теория электрических машин.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан способ получения вращающегося магнитного поля для однофазных многообмоточных трансформаторов.

2. Предложены теоретические основы идентификации параметров однофазных трансформаторов для получения вращающегося магнитного поля.

3. Разработана математическая модель однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

4. Разработано новое реле тока с использованием трансформатора с вращающимся магнитным полем.

Автор выносит на защиту:

1. Принципы получения вращающегося магнитного поля для однофазных цепей переменного тока на основе многообмоточных систем.

2. Методику идентификации параметров однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

3. Формирование информационного признака сигнала — амплитуды тока - с использованием многофазных вторичных обмоток однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

4. Новое реле тока на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем и применением многофазных вторичных обмоток.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработан и изготовлен однофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем для получения многофазной системы напряжений на вторичных обмотках.

2. Предложена методика определения параметров однофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

3. Разработано и изготовлено реле тока с использованием однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

4. Для подтверждения основных теоретических выкладок были проведены экспериментальные исследования работы предложенного токового реле в установившихся и переходных режимах в лаборатории релейной защиты и автоматики ОАО «Кубаньэнерго».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:

- на заседаниях научных семинаров кафедры электроснабжения промышленных предприятий «Кубанского государственного технологического университета;

- на научно-практической конференции «Электротехнические комплексы и системы» (Краснодар, 2007, 2008, 2009);

- на международной научной конференции «Технические и технологические системы» (Краснодар, 2009 г.).

Публикации. Основные положения работы оформлены в виде статей в следующих изданиях:

- «Электротехнические комплексы и системы», материал научно-практической конференции (Краснодар, КубГТУ, 2008 г.)

- «Технические и технологические системы», материалы международной научной конференции (Краснодар, 2009)

- «Электротехнические комплексы и системы», материал научно-практической конференции (Краснодар, КубГТУ, 2008 г.)

- «Известия высших учебных заведений, Северокавказский регион, Технические науки» (Ростов-на-Дону, 2010).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 133 страниц, 98 рисунков, 3 таблицы и 57 источников.

Выводы

1. Разработана конструкция магнитопровода однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

2. На основе разработанных методик произведено определение параметров обмоток экспериментального образца ОТВП.

3. Разработана конструкция реле тока на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем и изготовлен его экспериментальный образец.

4. В среде MATLAB реализованы математические модели ОТВП и реле тока на его основе с реализацией матричных уравнений с использованием блока пространства состояний «State-Space».

5. Результаты испытаний ОТВП и нового реле тока, проведенные на основе их математических моделей, подтвердили основные теоретические выкладки.

6. Проведенные испытания экспериментального образца нового реле тока на основе ОТВП, РТ-40 и РСТ-13 показали, что разработанное реле имеет высокую точность работы в режимах с перегруженными трансформаторами тока.

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие выводы и результаты:

1. Существующие токовые релейные защиты на электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе имеют ряд принципиальных недостатков. Необходимо совершенствование токовых реле, как основы токовой релейной защиты, используя новые принципы, в частности устройства с вращающимися магнитными полями, которые позволяют повысить надежность, чувствительность, быстродействие защиты вместе со снижением ее стоимости.

2. Предложено реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, реализующее получение информационного признака входного тока - амплитуды.

3. Разработаны теоретические основы формирования вращающихся магнитных полей с использованием трех четырех обмоточных схем включения первичных обмоток ОТВП.

4. Разработана обобщенная математическая модель ОТВП для п-фазной систем вторичных обмоток и реле на его основе.

5. Для целей практической реализации предложена математическая модель ОТВП с шестифазной системой выходных обмоток.

6. Разработана методика идентификации параметров ОТВП с использованием теории параметрической оптимизации.

7. Разработана конструкция реле тока на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем и изготовлен его экспериментальный образец.

8. Произведены численные и натурные эксперименты, результаты которых подтверждают теоретические основы создания реле тока с применением вращающегося магнитного поля и показывают улучшение технических характеристик реле по сравнению с существующими.

1. Чернобровов Н.В. Релейная защита. Изд. 4-е перераб и доп. М., Энергия, 1971, 624с.

2. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. М.: Высшая школа, 2006. - 639с.

3. Линт Г.Э. Серийные реле защиты, выполненные на интегральных микросхемах. / (Б-ка электромонтера; вып. 629) М.: Энергоатомиздат, 1990. - 112 е.: ил. - ISBN 5-283-01038-4

4. Гуревич В. И. Микропроцессорные реле защиты: новые перспективы или новые проблемы? — Новости электротехники, №6(36)2005.

5. Гуревич В. И. Микропроцессорные реле защиты: альтернативный взгляд. — Электро-Info, 2006, № 4.

6. Гуревич В. И. Как нам обустроить релейную защиту: мнения российских специалистов и взгляд со стороны. — Вести в электроэнергетике, № 2, 2007.

7. Гуревич В. И. Надежность микропроцессорных устройств релейной защиты: мифы и реальность. — Проблемы энергетики, 2008, № 5-6.

8. ШЕЕ Standart Electrical Power System Device Function Numbers and Contact Designations (IEEE Std C37.2 — 1996): New York, USA, 1997.

9. Monaghan J. Analysis of relaying performance for high resistance single phase faults on a solidly grounded 110 kV system with no ground wires. CIGRE Paper 34—05,1976.

10. Meinnes A.D., Morrison I.F. Real time calculation of resistance and reactance for transmission line protection by digital computer // IEEE Trans. Institution of Engineers Australia. 1971. № l.P. 16—31.

11. Cook V. Analysis of Distance Protection; Research Studies Press Ltd. Letchwoith, Herfordshire, England, 1985.

12. Sashdev M.S., Baribeau M.A. A new algorithm for digital impedance relays // IEEE Trans, on PAS. 1979. Vol. 98. №6.

13. Guide on EMC in Power Plants and Substations // CIGRE Publ. 124,1997.

14. Шнеерснон Э.М. Цифровая релейная защита. M.: Энергоатомиз-дат, 2007, 549с.

15. ALSTOM MiCOM Р120,Р121,Р122 and Р123 Universal Overcurrent Relays, transmission & distribution, Protection & Control, 60 Route de Sartouville, BP58, 78230 Le Pecq Cedex. France. 20c.

16. Защита электрических сетей Sepam 1000+, измерение, защита, управление и контроль / Руководство по эксплуатации, SEPED30300 1EN / фирма Schneider Electric 241 с.

17. Терминал защиты сборных шин Устройство резервирования при отказе выключателя SIPROTEC 7SS522 V4.0, 7SS5223 V3.0. / Руководство по эксплуатации, E50410-A0012-U501-A4-7691-1 / фирма Siemens - 446 с.

18. Комплектное устройство защиты и автоматики присоединений 6-35 kB SP АС 810: каталог / ООО «АББ Автоматизация» 22 с.

19. Устройство микропроцессорной защиты «СИРИУС-2-Л» / Техническое описание, инструкция по эксплуатации, паспорт. / М. : ЗАО «РАДИУС Автоматика», 56 с.

20. Блок микропроцессорной релейной защиты БМРЗ / Руководство по эксплуатации, ДИВГ.648228.001 РЭ / НТЦ «Механотроника», 126 с.

21. Шабад М.А., Шевелев B.C. Опыт использования цифровых реле серии SPAC-800 в сетях электроснабжения России // Энергетик. №12. 1998. -21с.

22. Шмурьев В.Я. Цифровая регистрация и анализ аварийных процессов в электроэнергетических системах, приложение к журналу Энергетик, выпуск 2. - М.: 2004г. - 24с.

23. Шмурьев В.Я. Анализ осциллограмм цифровых регистраторов вовнешней среде // Энергетик. 2001. №8. С. 14-17.

24. Шмурьев В.Я. Цифровые реле защиты. Приложение к журналу Энергетик, вып. 5. М.: НТФ Энергопрогресс, 1999. - 25с.

25. Шмурьев В.Я. Цифровые реле: Учебн. Пособие. Санкт-Петербург: Изд-во ПЭИпк, 1998. 180с.

26. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1989.-448с.

27. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины: Учебник для ВУЗов. -М.: Энергия, 1980. 928 е., ил.

28. Копылов И.П. Проектирование электрических машин: Учебник для ВУЗов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 464 е., ил. -ISBN 5-283-00724-3

29. Патент РФ №2335027 Однофазно трехфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем /Н.И. Богатырев, О.В. Григораш, В.Н. Темников, Ю.Г. Пугачев, А.Е. Усков - Заявл. 29.06.2007. Опубл. 27.09.2008.

30. Патент РФ №2274942 Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное / О.В. Григораш, В.Г. Руденко, A.B. Ракло, Б.О. Но-вокрещенов, В.А. Клещенов. Заявл. 15.09.2004. Опубл. 20.04.2006.

31. Патент РФ №2082245 Многофазный трансформатор /H.A. Сингаев-ский, Б.Х. Гайтов, Ф.И. Жуков, H.A. Суртаев, Ю.А. Суртаев. Заявл. 8.11.1994. Опубл. 20.06.1997.

32. Патент РФ №2333562 Однофазный трансформатор вращающегося поля Текст. / Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров. Заявл. 4.06.2007. Опубл. 10.09.2008.

33. Сидоров, Д.И Реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем/ Б.А. Коробейников, Д.И. Сидоров, Д.А. Литягин//Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. -2010 №2. с.67-69

34. Левинштейн М.Л. Операционное исчисление и его применение к задачам электротехники. М.: Энергия, 1964. - 466с.

35. Чуа Л.О., Лин Пен-Мин. Машинный анализ электронных схем: Алгоритмы и вычислительные методы. М.: Энергия, 1980. - 640с.

36. Калахан Д. Методы машинного расчёта электронных схем. М.: Мир, 1970.- 127с.

37. Демирчан К.С., Бутырин П.А. Моделирование и расчёт электрических цепей. М.: Высш. школа, 1988. - 335с.

38. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы. М.: Мир, 1988. - 366с.

39. Казанский В.Е. Трансформаторы тока в схемах релейной защиты. / изд. 2-е переработ. М.: «Энергия», 1969, - 184 с.

40. Казанский В.Е. Трансформаторы тока в устройствах релейной защиты и автоматики: Учеб. пособие для вузов. -М.: Энергия, 1978. 264с.

41. Афанасьев В.В., Адоньев НМ, Кибель В.М, и др. Трансформаторы тока. -2-е изд., перераб. и доп.- JI: Энергоатомиздат, 1989. 191с.

42. Ковач К.П., Рац И. Переходный процессы в машинах переменного тока. М.: Энергия, 1963. - 744с.

43. ГОСТ 7746-2001 Трансформаторы тока. Общие технические условия. УДК 621.314.224:006.354. Введен в 2003г.

44. Темкина Р.В. Измерительные органы релейной защиты на интегральных микросхемах. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 352с.

45. Черников Б.Г., Евликов А.А. Трансформаторы тока в схемах вентильных преобразователей. М.: Энергия, 1978. - 136с.

46. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. / Пер. с англ. -М.: Мир, 1985.-509 е., ил.-ББК 22.143 517.1

47. Алексеев В. М., Тихомиров В. М., Фомин C.B. Оптимальное управление. М.: Наука, 1979. 432 с.

48. Ашманов С. А. Линейное программирование. М.: Наука, 1981,304 с.

49. Васильев Ф. П. Численные методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1988.549 с.

50. Карманов В. Г. Математическое программирование. М.: Наука, 1986,288 с.

51. Поляк Б. Т. Введение в оптимизацию. М.: Наука, 1983. 384 с.

52. Пшеничный Б.Н. Выпуклый анализ и экстремальные задачи. М.: Наука, 1980. 320 с.

53. Евтушенко Ю.Г. Методы решения экстремальных задач и их применение в системах оптимизации. М.: Наука. 1982. 432с.

54. Калихман И.Л. Войтенко М.А. Динамическое программирование в примерах и задачах. М.: Высш. шк. 1979. 389 с.

55. Алексеев В.М., Галеев Э.М., Тихомиров В.М. Сборник задач по оптимизации. Теория. Примеры. Задачи. -М.: Наука, 1984. 234 с.

56. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб и доп. JL: Энергия 1974. -840с.

57. Беркович М.А., Семенов В,А. Основы автоматики энергосистем. -М.: Энергия, 1968.-432с.

58. Бадовский Н.Р. Быстродействующая защита сельских линий напряжением ЮкВ. Изв. вузов. -М.: Энергетика. 1981. №7. 117с.

59. Гончаров А.К. Повышение надежности электроснабжения предприятий пищевой промышленности. // Известия ВУЗов. Пищевая технология. -2006. №6. - С.74-76.

60. Блок микропроцессорный релейной защиты БМРЗ. Руководство по эксплуатации ДИВГ.648228.001 РЭ. НТЦ Механотроника, 2002. -62с.

61. Булычев A.B., Ванин В.К., Кривченко Г.И. и др. Аналоговая и цифровая электроника для средств релейной защиты. Учеб. пособие. СПб.: Изд. СПбГТУ, 1998. - 127с."

62. И. Черных. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, S imPower Systems и Simulink. M.: ИД Питер, 2007, 288 с.

63. Е. Р. Алексеев, О. В. Чеснокова Решение задач вычислительной математики в пакетах Mathcad 12, MATLAB 7, Maple 9. Серия: Самоучитель. M.: HT Пресс, 2006, 496 стр.

64. C.B. Поршнев MATLAB 7. Основы работы и программирования. Учебник. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2006, 320 стр.

65. С. Поршнев. Компьютерное моделирование физических процессовв пакете MATLAB. M.: Горячая линия-Телеком, 2003. 592 с.

66. В.Дьяконов, В.Круглов. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник.С. Пб.: "Питер", 2001. 480 с.

67. Д. А. Завалишин, Электрические машины малой мощности M.—JI., Госэнергоиздат, 1963, 432 с. с ил. Авт.: Д. А. Завалишин, С. И. Бардинский, О. Б. Певзнер, Б. Ф. Фролов, В. В. Хрущев.

68. В. И. Зимин, Обмотки электрических машин. Л., «Энергия», 1970. 472 с. с ил. Авт.: В. И. Зимин, М. Я. Каплан, А. М. Палей, И. Н. Рабинович, В. П. Федоров, П. А. Хаккен.

69. Алексеев А. Е. Конструкция электрических машин. М. — Л., Госэнергоиздат, 1958. 428 с. с ил.

70. Шуйский В. П. Расчет электрических машин. Л., «Энергия», 1968. 732 с. с ил.

71. Жерве Г. К- Промышленные испытания электрических машин. Л., «Энергия», 1968. 574 с. с ил.

72. Буль Б. К. Основы теории и расчета магнитных цепей. М.: Энергия, 1964. 464 с.

73. Левченко М.Т., Черняев П.Д. Индукционные реле тока. М.: Энергия. 1966.

74. Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин: Учеб. пособие для втузов. М.: Дрофа, 2005. 415 с.

75. Электрические измерения/Под ред. Е. Г. Шрамкова. М.: Высшая школа, 1972. 518 с.

76. Чунихин А. А. Расчет трансформатора тока, предназначенного для измерения в переходном режиме работы//Электротехника. 1980. № 9.1. С. 55 58.

77. Чунихин А. А., Строганов Б. Г. Метод измерения погрешности трансформатора тока в переходном режиме//Электричество, 1985. № 3. С. 69—72.

78. ГОСТ Р 7.05 2008 Библиографическая ссылка. Общие требования и правила составления.