Новые устройства для защиты и управления электротехническими комплексами на основе катушек Роговского

Продуктом проекта являются дифференцирующие индукционные преобразователи тока (ДИПТ), входящие в устройства релейной защиты и управления электроустановок промышленных предприятий, которые обеспечивают повышение точности измерений и снижение массогабаритных показателей этих устройств. Разработанные ДИПТ превосходят по техническим и стоимостным характеристикам аналоги и трансформаторы тока, выполняющие аналогичную функцию.
Апробация устройств в условиях промышленности показала повышение надёжности и безопасности эксплуатации электрифицированных установок на предприятиях.

Целью проекта является разработка и исследование таких измерительных преобразователей, входящих в устройства релейной защиты и управления электроустановок промышленных предприятий, которые обеспечивают повышение точности и снижение массогабаритных показателей этих устройств.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1) Разработка конструкций и методик расчёта параметров ДИПТ, предназначенных для работы в электроэнергетических системах с различным номинальным напряжением, как с магнитным сердечником, имеющим воздушные зазоры, так и не имеющие такого сердечника;
2) Разработка выполненных на базе ДИПТ ряда устройств релейной защиты: токовой защиты, продольной и поперечной дифференциальных защит, дифференциальной защиты шин; токовой и дифференциальной защиты силовых трансформаторов; защиты от несимметричных режимов и обрыва фазы;
3) Синтез пяти- и двухэлементных фильтров напряжения обратной последовательности (ФНОП), входящих наряду с ДИПТ в состав измерительных преобразователей тока обратной последовательности (ИПТОП). Обоснование выбора таких параметров элементов, входящих в ИПТОП, при которых обеспечивается минимум суммы их расчётных мощностей. Создание методики расчёта ИПТОП, выполненных на основе ДИПТ;
4) Разработка выполненных на базе ДИПТ ряда устройств автоматики электроэнергетических систем, в частности, устройств для распределения реактивных и активных мощностей между синхронными генераторами электрических станций;
5) Исследование переходных процессов, происходящих в электроэнергетических системах, снабжённых устройствами защиты и автоматики, выполненными на базе ДИПТ. В частности, исследование и сравнительный анализ тех переходных процессов в фильтрах напряжения обратной последовательности (ФНОП), входящих в состав ИПТОП и подключённых как к ТТ, так и к ДИПТ, которые происходят при включении нагрузки на источник напряжения и при обрыве одной фазы питающей линии;
6) Разработка и изготовление испытательного стенда для устройств релейной защиты и автоматики, выполненных на базе ДИПТ. Проведение таких испытаний и анализ полученных результатов;
7) Разработка рекомендаций по производству предлагаемых устройств релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем и объёму их внедрения.

Ежегодно, на промышленных предприятиях РФ, из-за перепадов напряжения, из строя выходят до 40 % электродвигателей, задействованных на общепромышленных процессах и предприятиях ЖКХ, и до 60 % электродвигателей, задействованных на тяжёлых условиях эксплуатации.

Для релейной защиты электротехнических комплексов в 90 % случаев в качестве измерительных преобразователей тока (ИПТ) используют трансформаторы тока (ТТ), которые имеют существенные недостатки – недостаточная точность измерений, высокие значения массы, размеров и стоимости этих измерительных преобразователей.

Таким образом, имеется необходимость в создании многофункциональных защит, одним из основных элементов которых являются ИПТ, свободные от указанных недостатков ТТ.

Конструкция катушки ДИПТ, разработанная в ДВФУ и предназначеная для установки вокруг высоковольтного ввода, состоит из n двухслойных секций (секционных катушек), равномерно размещённых вдоль немагнитного тороидального каркаса, выполненного на основе эластичного полого стержня.

Катушку ДИПТ выполняют из секций, которые являются короткими соленоидами. Небольшая длина соленоидов облегчает их установку на каркас. Стыковочные поверхности, находящиеся на концах эластичного стержня, плотно соединяются одна с другой после установки катушки на соединительную втулку высоковольтного ввода. Обмотки внутреннего  и внешнего  слоёв каждой секции имеют одинаковый шаг. Секционные обмотки внутреннего слоя намотаны по правилу правого винта, а наружного – по правилу левого винта. Все ЭДС, которые индуцируются в каждом витке катушки измеряемым током, арифметически складываются друг с другом, а сумма ЭДС от мешающих магнитных полей, проходящих через окно катушки, которые соответствуют эквивалентным виткам внутреннего и наружного слоёв, практически равна нулю. Теоретически доказано и практически подтверждено, что для разработанной конструкции катушки ДИПТ ничтожны и помехи, создаваемые за счёт наведения ЭДС в витках катушки от действия сцепленных с этими витками магнитных полей сторонних токов, в частности, токов, проходящих по токопроводам соседних вводов.

В результате работы проектной команды была выполнена разработка:

1) ДИПТ для измерения больших токов в цепях с напряжением до 1000 В;

2) ДИПТ для измерения токов в цепях высокого напряжения от 6000 В до 35000 В;

3) ДИПТ для измерения токов в распределительных щитах судовых электроэнергетических систем с напряжением до 1000 В;

4) Измерительного преобразователя тока обратной последовательности для трёх проводных сетей;

5) Измерительного преобразователя тока обратной последовательности для четырёх проводных сетей;

6) Новых систем автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности электрических систем (всего более 15 устройств);

7) Многоканальное защитное устройство от анормальных режимов работы трёхфазных электроприёмников.

Все объекты интеллектуальной собственности защищены патентами. Кроме того, совместно с автором научно-исследовательской работы были разработаны и защищены свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ  программы для расчёта параметров систем управления (автоматики) и защиты электромеханических комплексов.

Были произведены первые продажи продукции:

1) Системы защиты с использованием ДИПТ были реализованы для защиты электропривода карьерных экскаваторов в условиях РУ «Новошахтинское» и РУ «Лучегорское».

Использование разработанных систем показало, существенное уменьшение времени простоёв карьерных экскаваторов связанных с выходом из строя электрооборудования, что позволяет констатировать преимущества использования разработанных устройств.

2) В 2011 году заключён и выполнен в полном объёме договор с администрацией г. Владивосток на проведение модернизации систем электроснабжения водонасосных станций с использованием разработанных устройств.

1. Denis B. Solovev, Alexander S. Shadrin Improvement of characteristics of measuring converters of current // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. – Omsk: Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21−23, 2015. IEEE Catalog Number: CFP15794-CDR. ISBN: 978-1-4799-7102-2.
2. Denis B. Solovev, Alexander S. Shadrin Instrument current transducers with Rogowski coils in protective relaying applications // Electrical Power and Energy Systems vol. 73 (2015) pp. 107–113. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijepes.2015.04.011
3. The multi-lane simulator for training of specialists on control over radioactive materi-als / D.B. Solovev, A.S. Shadrin // 3rd International Scientific – Practical Conference «INNO-VATIVE INFORMATION TECHNOLOGIES». – Prague, 2014. – part 1. – P. 35-43.

The product of the project are the differentiating induction current converters that are included in the relay protection and control of electrical industries, which provide increased measurement accuracy and reduced weight and size of these devices. The developed devices are superior for technical and cost characteristics of analogues and current transformers that perform a similar function.
Testing of devices in terms of industry showed an increase of reliability and safety of operation of electrified systems in the enterprise.