ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА Российский патент 2005 года по МПК H01F38/30 H02H3/26 H02H3/33 H02H7/45 

Настоящее изобретение относится к электротехнике и может быть применено для защиты человека от поражения электрическим током, противопожарной защиты от теплового проявления токов утечки, а также токов перегрузки и короткого замыкания в составе автоматизированных систем управления и устройств защитного отключения, реагирующих на дифференциальный (разностный) ток и токов нагрузки.

В настоящее время в электротехнике применяются дифференциальные трансформаторы тока (Рекомендации по проектированию, монтажу и эксплуатации электроустановок зданий при применении устройств защитного отключения. М.: Издательство МЭИ, 2002 г, стр. 19-27, 66-67), для которых характерно наличие сигнала небаланса (помехи) в полезном сигнале, пропорциональном току утечки или разностному току. Такие трансформаторы содержат тороидальный магнитомягкий сердечник с равномерной или сосредоточенной вторичной обмоткой и произвольно расположенную в окне сердечника трансформатора первичную обмотку, состоящую из проводников питающей сети.

В такой конструкции трансформатора магнитная связь проводников первичной обмотки с проводниками вторичной обмотки имеет случайный характер, поэтому сумма их потокосцеплений с проводниками вторичной обмотки тоже имеет случайный характер, и во вторичной обмотке наводится сигнал небаланса, который может отличаться не только по величине, но и по фазе. Поэтому при появлении тока утечки сигнал на выходе вторичной обмотки дифференциального трансформатора тока в одних случаях может увеличиваться, а в других уменьшаться. Это вносит ограничение на минимальный порог срабатывания устройств защитного отключения и ограничивает их применение в электроустановках с пиковыми или пусковыми токами, так как сигнал небаланса пропорционален току нагрузки, и это приводит к ложным, несанкционированным срабатываниям устройств защитного отключения. Пусковой орган (пороговый элемент) в устройствах защитного отключения выполняется, как правило, на чувствительных магнитно-электрических реле прямого действия или электронных компонентах, а исполнительный механизм включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода.

Сигнал небаланса уменьшают в дифференциальном трансформаторе тока (Щипунов Н.В. “Защитное отключение”, М.: Энергия, 1968 г., стр. 81-85), содержащем тороидальный сердечник из магнитомягкого материала с равномерно намотанной вторичной обмоткой, первичную обмотку, состоящую из фазных проводников питающей сети, расположенную в окне сердечника, и экран из магнитного материала, установленный между первичной и вторичной обмотками.

Как и в описанных выше дифференциальных трансформаторах тока, в данном конструктивном варианте выполнения трансформатора сигнал небаланса не может быть полностью скомпенсирован. Экран замыкает на себя потоки рассеяния первичной обмотки, уменьшая их потосцепление со вторичной обмоткой, а значит и сигнал небаланса. Однако это приводит к снижению чувствительности и к токам утечки, он также работает нестабильно при наличии пиковых и пусковых токов, что ограничивает защиту мощных электроприемников.

Наиболее близким дифференциальным трансформатором тока по технической сущности к предлагаемому изобретению является дифференциальный трансформатор тока (патент РФ №2060568, класс H 01 F 38/28, 20.05.1996 г.), содержащий тороидальный сердечник из магнитомягкого материала с равномерно намотанной вторичной обмоткой, первичную n-фазную обмотку, расположенную в окне сердечника, и экран из магнитомягкого материала, установленный между первичной и вторичной обмотками. Каждая фаза первичной обмотки трансформатора выполнена в виде секций, каждая из которых состоит из двух идентичных, параллельно соединенных проводников, равномерно расположенных по окружности и чередующихся между собой в порядке следования фаз, так что угол между фазными проводниками соседних секций составляет 180°/n. Расположение обмоток и экрана зафиксировано держателем из электроизоляционного материала. Экран выполнен так, что позволяет изменять электромагнитную связь между первичной и вторичной обмотками при изменении мощности нагрузки для нормирования сигнала небаланса.

Принцип действия данного трансформатора аналогичен принципу действия известных проходных трансформаторов. Однако в нем за счет расщепления фазных проводников создаются потоки рассеяния, которые в каждый момент времени векторно противоположны друг другу и взаимно компенсируются независимо от асимметрии нагрузки. Это позволяет более чем на порядок уменьшить сигнал небаланса, повысить чувствительность устройств защитного отключения и осуществить защиту более мощных электроприемников с пусковыми и пиковыми токами.

Однако у таких дифференциальных трансформаторов тока наблюдается изменение сигнала небаланса при изменениях асимметрии нагрузки, так как при этом изменяется ориентация эллиптического вращающегося магнитного поля рассеяния относительно несимметричной вторичной обмотки, которая имеет место из-за технологических и конструктивных погрешностей и всей магнитной системы дифференциального трансформатора тока в целом.

Кроме этого, рассмотренные дифференциальные трансформаторы не выдают информацию о токах нагрузки, перегрузки и короткого замыкания.

В основу настоящего изобретения положена задача создания дифференциального трансформатора тока, обеспечивающего гальваническое разделение сигналов разностного тока, пропорционального току утечки, и сигнала небаланса, пропорционального нагрузке, за счет конструктивного выполнения первичной и вторичных обмоток, при котором первичная обмотка создает основной поток, пропорциональный току утечки, и потоки рассеяния, пропорциональные токам нагрузки.

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном трансформаторе тока, содержащем тороидальный сердечник из магнитомягкого материала с намотанной на него вторичной обмоткой, первичную n-фазную обмотку в виде фазных проводников, расположенных в окне сердечника, и держатель проводников, согласно изобретению первичная обмотка выполнена из двух проводников сети, расположенных диаметрально противоположно, а вторичная обмотка состоит из двух секций, две одинаково намотанные обмотки одной из которых соединены встречно, и каждая обмотка имеет n витков, к которым плотно прилегают проводники первичной обмотки, при этом две одинаково намотанные обмотки с m-витками в каждой обмотке другой секции соединены последовательно и расположены под углом 90° по отношению к проводникам первичной обмотки.

Поставленная задача решается также тем, что в другом варианте выполнения предлагаемого дифференциального трансформатора тока первичная обмотка выполнена из трех проводников трехфазной сети, расположенных под углом 120° друг относительно друга, вторичная обмотка состоит из секций, при этом три р одинаково намотанные обмотки первой секции соединены последовательно через 120°/р и каждая обмотка имеет n витков, к которым плотно прилегают проводники первичной обмотки, а шесть одинаково намотанных обмоток с m витками в каждой попарно расположены диаметрально противоположно и объединены в три секции, в каждой из которых обмотки соединены встречно, причем одна из обмоток в каждой секции плотно прилегает к соответствующему проводнику первичной обмотки. В этом случае через держатель может быть пропущен либо один нейтральный проводник, либо три нейтральных проводника одинакового сечения, расположенных посередине между фазными проводниками и плотно прилегающих к сердечнику.

Секции вторичных обмоток соединяют таким образом, что в одних секциях вторичной обмотки наводится сигнал, пропорциональный только току утечки, а в других секциях вторичной обмотки наводятся сигналы, пропорциональные фазным токам нагрузки. Эти сигналы гальванически разделены и не зависят друг от друга. Это позволит создать защитные отключающие устройства с большей чувствительностью к токам утечки, селективные, то есть многоуровневые, без ложных отключений, и расширить их функциональные возможности, а именно: реагировать на токи перегрузки и токи короткого замыкания.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 изображает схему включения дифференциального трансформатора тока в однофазную или двухфазную сеть без нейтрального проводника;

фиг.2 - схему включения дифференциального трансформатора тока в трехфазную сеть без нейтрального проводника при р=1;

фиг.3 - схему включения дифференциального трансформатора тока в трехфазную сеть с одним нейтральным проводником, расположенным в центре сердечника при р=1;

фиг.4 - то же, что и на фиг.2, но с тремя нейтральными проводниками, расположенными посередине между проводниками первичной обмотки и одинаково прилегающими к сердечнику.

Дифференциальный трансформатор тока, согласно изобретению, содержит тороидальный сердечник 1 (фиг.1) из магнитомягкого материала с намотанной на него вторичной обмоткой, состоящей из двух секций. Две одинаковые, равномерно намотанные обмотки 2 одной секции соединены встречно и каждая обмотка 2 имеет n витков, к которым плотно прилегают два проводника 3 первичной обмотки, расположенных горизонтально. Перпендикулярно горизонтальной оси на сердечник 1 равномерно намотаны еще две одинаковые обмотки 4 другой секции вторичной обмотки, каждая из которых имеет m витков. Обмотки 4 соединены последовательно и расположены под углом 90° по отношению к проводникам 3. Все обмотки 2 и 4 имеют одинаковое направление намотки витков. Для придания конструкции трансформатора жесткости в окне сердечника 1 установлен держатель 5 из электроизоляционного материала.

На фиг.2 представлена схема включения дифференциального трансформатора тока в трехфазную сеть без нейтрального проводника, позволяющая разделять сигнал утечки, пропорциональный току утечки, и сигналы небаланса (помехи), пропорциональные токам нагрузки в фазах.

Дифференциальный трансформатор тока содержит тороидальный сердечник 6, первичную обмотку из трех проводников 7 трехфазной сети, расположенных в держателе 8 из электроизоляционного материала под углом 120° по отношению друг к другу на внутренней поверхности сердечника 6. На сердечник 6 намотана вторичная обмотка, состоящая из секций. Три одинаковые, равномерно намотанные обмотки 9 первой секции соединены последовательно и каждая обмотка имеет n витков, к которым плотно прилегают фазные проводники 7 первичной обмотки. Шесть одинаково намотанных обмоток 10 и 11 с m витками в каждой попарно (обмотка 10 и обмотка 11) расположены диаметрально противоположно и объединены в три секции, в каждой из которых обмотки 10 и 11 соединены встречно, причем обмотка 10 в каждой секции плотно прилегает к соответствующему фазному проводнику 7.

На фиг.3 представлена схема включения дифференциального трансформатора тока в трехфазную сеть с нейтральным проводником, которая выполняет те же функции, что и дифференциальный трансформатор тока на фиг.2. Он содержит дополнительно нейтральный проводник 12, пропущенный через центр держателя 8.

На фиг.4 представлена схема дифференциального трансформатора тока, аналогичная схеме, представленной на фиг.2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит три одинаковых нейтральных проводника 13, пропущенных через держатель 8, расположенных посередине между фазными проводниками 7 первичной обмотки и одинаково прилегающих к сердечнику 1.

Принцип действия предлагаемого дифференциального трансформатора тока заключается в следующем.

В отсутствии тока утечки основной магнитный поток в магнитопроводе трансформатора равен нулю, так как фазные токи равны. Но так как по проводникам 3 (фиг.1) первичной обмотки протекает ток, то вокруг них пульсируют магнитные потоки Фσ₁ рассеяния, направления которых показаны на фиг.1 и которые наводят одинаковые ЭДС e_n помехи или небаланса, пропорциональные току нагрузки в обмотках 2. Направление e_n связано с направлением потоков правилом буравчика и на фиг.1 направлены вверх. Если обмотки 2 соединить встречно, то на выходе получается сигнал 2е_n, пропорциональный току нагрузки.

При появлении тока утечки создается поток Ф_m, который замыкается по магнитопроводу трансформатора и, согласно принятому на фиг.1 направлению, наводит сигналы e_m, пропорциональные току утечки. В обмотках 2 они взаимно компенсируются, поэтому на сигнал 2e_n в этих обмотках никакого влияния не оказывают. Обмотки 4 соединяются последовательно и на их выходе формируется сигнал 2e_m, пропорциональный току утечки. Число витков в каждой из обмоток может быть одинаковое, все зависит от соотношений тока нагрузки и тока утечки. Так как магнитное сопротивление по пути в воздухе намного больше магнитного сопротивления по пути в сердечнике 1, а ток в проводниках 3 намного больше тока утечки, то варьируя числом витков обмоток 2 и 4 можно добиться примерного равенства сигналов e_n и e_m. Таким образом, такой трансформатор позволяет разделить сигнал утечки, пропорциональный току утечки, и сигнал небаланса (помехи), пропорциональный току нагрузки.

Это дает возможность на базе таких дифференциальных трансформаторов тока разработать новые защитные отключающие устройства с расширенными функциональными возможностями, позволяющие настраивать их на различные токи нагрузки, осуществляя защиту от токов перегрузки и короткого замыкания, изменять чувствительность к токам утечки, соблюдать условия селективности и не реагировать на пусковые и пиковые токи нагрузки. Они могут выполняться на чувствительных магнитно-электрических реле прямого действия или электронных компонентах.

Данные положения гальванического разделения сигнала могут быть использованы для защиты электроприемников в трехфазных сетях при симметричных и несимметричных нагрузках.

На фиг.2 представлена схема включения дифференциального трансформатора тока в трехфазную сеть без нейтрального проводника. В отсутствии тока утечки основной магнитный поток в магнитопроводе трансформатора равен нулю, так как сумма токов в трехпроводной сети без нулевого провода равна нулю. Но так как по проводникам 7 первичной обмотки протекают фазные токи, то вокруг них пульсируют с частотой сети первичные потоки Фσ₁ рассеяния, направления которых показаны на фиг.2 для момента первичные потоки Фσ₁ рассеяния, направления которых показаны на фиг.2 для момента времени ωt=π/6, которые наводят в обмотках 9 ЭДС помехи или e_n, пропорциональные току нагрузки при любом режиме работы - симметричном или несимметричном. Если эти обмотки 9 соединить последовательно, то сумма сигналов e_n от потоков Фσ₃ будет равна нулю для любого момента времени.

При появлении тока утечки создается поток Ф_m, который замыкается по магнитопроводу трансформатора, и согласно принятому на фиг.2 направлению наводит в каждой из обмоток 9, 10 и 11 сигнал e_m, пропорциональный току утечки. Они суммируются в обмотках 9 и на выходе последовательно соединенных обмоток 9 имеет место сигнал 3 e_m, который не зависит от значений токов в проводниках 7 сети, то есть от нагрузки.

Известно, что в симметричной трехфазной сети, какой является первичная обмотка дифференциального трансформатора тока, при равенстве токов в фазных проводах 7 потоки Фσ₁ рассеяния создают результирующий магнитный поток Фσ₂, вектор результирующей магнитной индукции которого по модулю равен Он вращается с угловой скоростью ωt, замыкаясь по воздуху и магнитопроводу дифференциального трансформатора тока, сцепляясь с обмотками 10 и 11. На фиг.2 показано направление потока Фσ₂ для момента времени ωt=π/6 и направления е_n и e_m в каждой обмотке 10 и 11 от действия Ф_m и Фσ₂. Если теперь соединить каждую пару обмоток 10 и 11, находящихся на одной оси, так чтобы скомпенсировались e_m, то есть встречно, то на выходе обмоток 10 и 11 каждой секции будут иметь место двойные сигналы небаланса 2e_na, 2e_nв, 2е_nc, пропорциональные токам нагрузки соответствующих фаз. Их удобно соединить в звезду и каждый фазный сигнал небаланса так же, как сигнал утечки, подавать на исполнительные органы, выполняющие функции, аналогичные для двухпроводного дифференциального трансформатора тока. Такой дифференциальный трансформатор тока работает и при несимметричном режиме, включая неполнофазный режим, так как любую несимметричную трехфазную систему токов без нулевого провода можно представить в виде суммы двух трехфазных, симметричных систем: прямой и обратной последовательности.

Принцип действия дифференциального трансформатора тока на фиг.3 и 4 аналогичен принципу действия дифференциального трансформатора тока на фиг.2.

Отличие заключается в том, что при несимметричной нагрузке и наличии нейтрального провода 12 (фиг.3) любую несимметричную трехфазную систему токов можно представить в виде суммы трех симметричных составляющих токов: нулевой, прямой и обратной последовательности.

Токи прямой и обратной последовательности создают свои вращающиеся поля и наводят сигналы, пропорциональные току нагрузки в обмотках 10 и 11 дифференциального трансформатора тока.

Токи нулевой последовательности не создают вращающегося магнитного поля, так как потоки, созданные токами нулевой последовательности, одновременно во всех трех фазных проводниках 7 на фиг.3 и 4, вынужденно пульсируют, замыкаясь по магнитопроводу трансформатора и наводят в обмотках 10 и 11 сигнал, пропорциональный утроенному току нулевой последовательности, но так как нейтральные проводники 12 и 13 на фиг.3 и 4 пропущены через дифференциальный трансформатор тока и по ним протекает только утроенная нулевая составляющая несимметричной системы токов обратного направления, то происходит компенсация сигнала нулевой последовательности в обмотках 10 и 11.

При появлении тока утечки в обмотках 10 и 11 наводится сигнал e_m, но так как обмотки 10 и 11 соединены на фиг.3 и 4 так же, как и на фиг.2, то на выходах соответствующих систем обмоток 10 и 11 будут сигналы 3e_na, 3e_nв, 3e_nc.

Таким образом, дифференциальный трансформатор тока, представленный и на фиг.3, и на фиг.4, позволяет гальванически разделить сигналы разностного тока и нагрузки, что позволяет создавать многофункциональные устройства на базе всех предлагаемых вариантов дифференциального трансформатора тока с защитой не только от токов утечки, но и от перегрузки и короткого замыкания. Такие устройства перспективны еще и потому, что отпадает необходимость установки в токовые цепи аппаратов защиты тепловых и электромагнитных реле, ограничивающие своими собственными сопротивлениями токи нагрузки и короткого замыкания. Они не надежны и не долговечны.

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено для защиты человека от поражения электрическим током, токов утечки, токов перегрузки и к.з. в устройствах защитного отключения. Технический результат заключается в гальваническом разделении сигналов разностного тока, пропорциональных току утечки, и сигнала небаланса, пропорционального нагрузке. Дифференциальный трансформатор тока содержит тороидальный сердечник из магнитомягкого материала с намотанной на него вторичной обмоткой. Первичная обмотка в виде двух проводников сети расположена в окне сердечника диаметрально противоположно. Вторичная обмотка состоит из двух секций, две одинаково намотанные обмотки одной из которых соединены встречно, и каждая обмотка имеет n витков, к которым плотно прилегают проводники первичной обмотки. Две одинаково намотанные обмотки с m витками в каждой обмотке другой секции соединены последовательно и расположены под углом 90° по отношению к проводникам первичной обмотки. 4 ил.

Дифференциальный трансформатор тока, содержащий тороидальный сердечник из магнитомягкого материала с намотанной на него вторичной обмоткой, первичную n-фазную обмотку в виде фазных проводников, расположенных в окне сердечника, и держатель проводников, отличающийся тем, что первичная обмотка выполнена из двух проводников сети, расположенных диаметрально противоположно, а вторичная обмотка состоит из двух секций, две одинаково намотанные обмотки одной из которых соединены встречно и каждая обмотка имеет n витков, к которым плотно прилегают проводники первичной обмотки, при этом две одинаково намотанные обмотки с m витками в каждой обмотке другой секции соединены последовательно и расположены под углом 90° по отношению к проводникам первичной обмотки.