Дифференциальный трансформатор тока
Владельцы патента RU 2300820:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области электротехники, в частности к дифференциальным трансформаторам тока. Технический результат заключается в снижении небаланса. Дифференциальный трансформатор тока содержит замкнутый тороидальный магнитопровод с равномерно намотанной вторичной обмоткой, первичными фазными расщепленными проводниками, пропущенными в его окно и расщепленными на нечетное число параллельно соединенных проводников К=3, 5, 7..., которые равномерно распределены по внутренней окружности замкнутого тороидального магнитопровода при сохранении очередности фаз. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к дифференциальным трансформаторам тока.
Известные дифференциальные трансформаторы тока (ДТТ) применяются в основном в устройствах защитного отключения (УЗО) в качестве датчиков сигнала (ЭДС или тока), поступающего со вторичной обмотки на чувствительный полупроводниковый блок при касании человека или животного к первичному проводнику с током или при появлении тока утечки на землю (А.П.Бодин, Ф.И.Московкин Электрооборудование для сельского хозяйства. М.: Россельхозиздат, 1981). При этом ДТТ содержит тороидальный магнитопровод квадратного сечения с равномерно намотанной вторичной обмоткой и первичными токоведущими проводниками, пропущенными в окно тороида.
Существенным недостатком существующих ДТТ является то, что они содержат небаланс. Исходя из требований обеспечения надежной электробезопасности, необходимо иметь уставку на срабатывание УЗО не более 10 миллиампер при любом рабочем токе электроустановки. В существующих УЗО установлены уставки на срабатывание 30, 100, 300 и более миллиампер. Уменьшить ток срабатывания (повысить чувствительность) УЗО не позволяет наличие небаланса в ДТТ.
В конструкциях существующих ДТТ сечение магнитопровода выполнено в форме квадрата. Такое сечение не является оптимальным для выделения полезного сигнала со вторичной обмотки.
Наиболее близким к заявляемому изобретению, принятому за прототип, является трансформатор тока нулевой последовательности (А.С. СССР №456335, опубл. 05.01.1975). В прототипе с целью снижения небаланса в ДТТ проводники каждой фазы первичной обмотки расщеплены на число проводников не менее двух и расщепленные проводники каждой из фаз расположены диаметрально противоположно в окне магнитопровода. В прототипе расщепление первичных проводников осуществляется на четное число раз (К=2, 4, 6...) и не дает максимального снижения небаланса.
Анализ эксплуатации УЗО показал, что в момент запуска электродвигателя в случае неблагоприятной фазы включения питающего напряжения наблюдается ложное срабатывание УЗО. Это связано с тем, что в случае неблагоприятной фазы включения по первичным фазным проводникам ДТТ протекает апериодическая составляющая тока, превосходящая в несколько раз амплитуду пускового тока электродвигателя.
Эта апериодическая составляющая порождает результирующий поток рассеяния в окне магнитопровода. Поток рассеяния создает ЭДС (ток) во вторичной обмотке ДТТ, достаточную для запуска электронной схемы, вызывая ложное срабатывание УЗО. Чтобы избежать ложного срабатывания, эксплуатационникам приходится разрабатывать специальные схемы включения ограничительных сопротивлений в первичной цепи электроустановки с двигательной нагрузкой для каждого электродвигателя; что является нежелательным как с точки зрения усложнения схемы запуска электродвигателя, так и стоимости всей установки.
В заявляемом ДТТ технический результат по снижению небаланса достигается путем расщепления каждого фазного проводника на K=2, 3, 4, 5... число проводников. При этом расщепленные части фазных проводников распределены равномерно по внутренней окружности тороида с сохранением очередности фаз А, В, С в трехфазном ДТТ и фаза, нуль - в однофазном ДТТ. В каждой из фаз расщепленные части соединены параллельно. Угол (α) между осями расщепленных частей первичных проводников составляет
где: К=2, 3, 4, 5... число расщеплений, n=2 для однофазного ДТТ, n=3 для трехфазного.
На фиг.1 показано расщепление первичных токоведущих проводников на К=2 число частей для однофазного ДТТ. Фазный проводник 1 с линейным зажимом Л1 расщеплен на две части (два проводника) 1I и 1II. Эти два проводника соединены параллельно между собой и пропущены в окно тороида С. Аналогично расщепленные части 2I и 2II для нулевого провода 2 с линейным зажимом Л2 также соединены параллельно и пропущены в окно тороида С. Zн - сопротивление нагрузки. На фиг.4а показано расщепление первичных токоведущих проводников для однофазного ДТТ на К=3 число частей. Расщепленные части первичного фазного и нулевого проходов распределены равномерно по внутренней окружности тороида при сохранении очередности: расщепленная часть фазного проводника, затем расщепленная часть нулевого проводника, фазного и т.д. Между каждой расщепленной частью фазного и нулевого проводников образуется угол в 60°. В каждом из расщепленных частей проводников показано направление переменного тока для момента времени, когда в фазном проводнике ток течет от нас перпендикулярно плоскости и обозначен (х), а в нулевом - к нам и обозначен (•). Соответственно показано направление потоков рассеяния для расщепленных частей фазного проводника 
, 
, 
, а для нулевого - 
, 
, 
.
На фиг.4б показано расщепление на К=3 число частей для трехфазного ДТТ. Расщепленные части, как и в однофазном ДТТ, распределены равномерно по внутренней окружности тороида при сохранении очередности фаз А, В, С. В каждом из расщепленных частей фазных проводников показано направление переменного тока для момента времени в соответствии с векторной диаграммой на фиг.4в и потоки рассеяния 
, 
, 
для расщепленных частей проводника фазы А; 
, 
, 
для расщепленных частей проводника фазы В; 
, 
, 
для расщепленных частей проводника фазы С.
Все расщепленные части в каждой из фаз А, В, С соединены параллельно в каждой фазе.
Технический результат по снижению небаланса в однофазном ДТТ подтвержден экспериментом. Так, при расщеплении на К=3 уменьшилась ЭДС небаланса в 18 раз по сравнению с ДТТ с нерасщепленными первичными проводниками.
Технический результат по увеличению полезного сигнала, снимаемого с зажимов вторичной обмотки ДТТ, в заявляемом изобретении достигается тем, что изменена форма сечения тороидального магнитопровода. Предлагается заменить квадратное сечение магнитопровода прямоугольным, вытянутым, вдоль оси тороида с отношением сторон не менее двух. На фиг.2а показано сечение существующего (квадратное) магнитопровода ДТТ, а на фиг.2б - предлагаемого (прямоугольного) вытянутого вдоль оси тороида. Предполагается, что величины сечений квадратного и прямоугольного одинаковы. Упрощено каждый виток вторичной обмотки ДТТ можно представить как периметр, состоящий из двух частей: активной и пассивной. Активная часть витка Iак участвует в наведении ЭДС полезного сигнала в результате того, что охвачена магнитным потоком первичного проводника с током. Пассивная же часть - служит лишь для создания электрической цепи. Отсюда следует, что для увеличения полезного сигнала (ЭДС, тока), поступающего с зажимов вторичной обмотки ДТТ на электронную схему УЗО при одной и той же величине сечения, необходимо увеличивать активную часть витка (Iак) вторичной обмотки. При одной и ток же величине сечения магнитопровода ДТТ это достигается тем, что взамен квадратного выполняется прямоугольное сечение, вытянутое вдоль оси тороида с отношением осевой стороны к радиальной не менее двух. На фиг.3 приведены основные расчетные зависимости для пермаллоевого тороидального сердечника сечением 2,07 см2. Из расчетных зависимостей на фиг.3 следует, что в интервале 3≥в/а≥2 при незначительном увеличении длины пассивной части витка заметно увеличивается активная часть витка.
1. Дифференциальный трансформатор тока, содержащий замкнутый тороидальный магнитопровод с равномерно намотанной вторичной обмоткой, первичными фазными расщепленными проводниками, пропущенными в его окно, отличающийся тем, что первичные фазные проводники расщеплены на нечетное число параллельно соединенных проводников К=3, 5, 7..., равномерно распределенных по внутренней окружности замкнутого тороидального магнитопровода при сохранении очередности фаз.
2. Дифференциальный трансформатор тока по п.1, отличающийся тем, что сечение замкнутого тороидального магнитопровода выполнено вытянутым вдоль его оси и прямоугольным с соотношением сторон b и а в интервале 3≥b/a≥2.
