Реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Сидоров, Дмитрий Игоревич

• Сидоров, Дмитрий Игоревич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сидоров, Дмитрий Игоревич

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Реле тока на основе однофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем»

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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Сидоров, Дмитрий Игоревич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сидоров, Дмитрий Игоревич, 2010 год

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.