Требования к трансформаторам тока для релейной защиты
Обновлено: 15.04.2024
Трансформаторы тока в переходных режимах
Измерительные трансформаторы являются неотъемлемой частью любой энергоустановки. С помощью измерительных трансформаторов осуществляется учет электроэнергии, измерения параметров сети, они являются первичными источниками сигнала для релейных защит, устройств телемеханики и автоматики. Мы уже затрагивали тему выбора трансформаторов тока в целях учета электрической энергии, сегодня уделим внимание общим принципам их классификации и конструкции, а также нормативно-технической базе в части обеспечения функционала релейных защит.
В первую очередь нужно отметить, что важным аспектом работы современных микропроцессорных релейных защит является их быстродействие, которое должно обеспечиваться не только собственными возможностями программно-технических комплексов устройств РЗА, но и возможностями первичных аналоговых преобразователей, таких как трансформаторы тока.
Токовые цепи релейных защит, как правило, питаются таким же образом, как приборы учета и устройства измерения — источником аналогового сигнала для них являются трансформаторы тока. Отличие состоит в условиях работы: измерительные приборы работают в классе точности при фактическом первичном токе, не превышающем номинального, тогда как устройства релейной защиты рассчитаны на работу в режимах короткого замыкания или перегрузки, когда фактический ток значительно превышает номинальный ток трансформатора. К тому же, такие режимы являются переходными — в составе первичного тока появляются свободные апериодические составляющие.
Как известно, работа трансформатора тока характеризуется уравнением намагничивающих сил: I1 • w1 + I2 • w2 = Iнам • w1
I1 — ток в первичной обмотке;
w1—количество витков первичной обмотки;
I2 — ток во вторичной обмотке;
w2 — количество витков вторичной обмотки;
Iнам — ток намагничивания.
Из приведенного выражения видно, что первичный ток трансформируется во вторичную обмотку не полностью — часть его уходит на формирование тока намагничивания, создающего рабочий магнитный поток в сердечнике ТТ (поток, формирующий ЭДС во вторичной обмотке, под воздествием которой там и протекает ток). Это происходит как в установившихся, так и в переходных режимах. В переходном процессе каждая составляющая, протекая по первичной обмотке трансформатора тока, делится на две части: одна трансформируется во вторичную обмотку, а вторая идет на намагничивание сердечника. В связи с тем, что скорость изменения апериодической составляющей гораздо меньше скорости изменения переменной составляющей, а периодическая составляющая плохо трансформируется во вторичную цепь и большая ее часть идет на насыщение сердечника. Это, в свою очередь, ухудшает трансформацию периодической составляющей во вторичную цепь и также повышает долю этого тока в токе намагничивания. Возникает так называемое, «подмагничивающее действие». Учитывая, что в сердечниках ТТ во многих случаях имеет место остаточная магнитная индукция, которая сохраняется в течение длительного времени (дни, недели и даже месяцы), наихудший режим работы возникает в случае, если остаточный магнитный поток в сердечнике совпадает по направлению с магнитным потоком, создаваемым апериодической составляющей тока намагничивания.
В результате трансформатор начинает работать в режиме насыщения, т.е. когда ток намагничивания растет значительно быстрее рабочего магнитного потока.
Все вышеописанное вносит искажения в величину и фазу вторичного тока, создавая тем самым погрешность (именно величина тока намагничивания определяет точность работы ТТ). И, несмотря на то, что в релейных защитах точность траснформации имеет гораздо меньшее значение, чем в измерительной технике, погрешности могут быть настолько велики, что могут вызвать существенную задержку срабатывания устройств РЗА, а также их ложное действие или отказ. Это особенно актуально для дифференциальных защит, т.к. вместе с токами намагничивания ТТ возрастают и токи небаланса в схеме защиты. Также ситуацию может ухудшить применение промежуточных быстронасыщающихся трансформаторов тока.
Существует несколько способов борьбы с остаточной намагниченностью сердечника, как с одной из основных причин возникновения насыщения. Один из методов — применение трансформаторов тока с сердечниками без стали, обладающих линейными свойствами. Но использование таких трансформаторов тока может быть весьма ограниченным, в связи с небольшой мощностью вторичных обмоток. Второй метод (наиболее распостраненный) — изготовление сердечников из электротехнической стали, имеющих немагнитные зазоры. Этот метод по сравнению с использованием сердечников без стали позволяет конструировать сердечники меньшего сечения. Однако в России трансформаторы тока с такими сердечниками не выпускались и не выпускаются. Нужно отметить, что европейские производители успешно производят такие изделия в вполне приемлемых габаритах, размещая в корпусе трансформатора как обмотки с привычными нам классами точности, так и специализированные обмотки для работы РЗА в переходных процессах. Почему же сложилась такая ситуация? Наверное, отнюдь не потому, что российские конструкторы гораздо хуже европейских знают свое дело и не потому, что эксплуатирующие организации не желают располагать таким оборудованием.
Рассмотрим действующую нормативную базу, регламентирующую производство трансформаторов тока. Действующий сегодня ГОСТ 7746-2001 «Трансформаторы тока. Общие технические условия» включает в себя два класса точности релейных защит — 5Р и 10Р (пределы допускаемых погрешностей — см. Таблицу 1). Ни в одном из этих классов не нормируется работа ТТ в переходных режимах — указанные в ГОСТ погрешности имеют место при нормальных режимах и токе предельной кратности (также в установившемся режиме).
Таблица 1. Пределы допускаемых погрешностей вторичных обмоток для защиты в установившемся режиме при номинальной вторичной нагрузке
Требования к трансформаторам тока для релейной защиты
Общие технические условия
Current transformers. General specifications
Дата введения 2017-03-01
Предисловие
Цели, основные принципы и общие правила проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, применения, обновления и отмены"
Сведения о стандарте
1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "Ц СВЭП" (ООО "Ц СВЭП") и Открытым акционерным обществом "Свердловский завод трансформаторов тока" (ОАО "СЗТТ")
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 016 "Электроэнергетика"
3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 10 декабря 2015 г. N 48)
За принятие проголосовали:
Краткое наименование страны по МК (ISO 3166) 004-97
Сокращенное наименование национального органа по стандартизации
Минэкономики Республики Армения
Госстандарт Республики Беларусь
Госстандарт Республики Казахстан
4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 23 июня 2016 г. N 674-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 7746-2015 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 марта 2017 г.
5 В настоящем стандарте учтены основные нормативные положения следующих международных стандартов*:
IEC 61869-1:2007 "Трансформаторы измерительные. Часть 1. Общие требования" ("Instrument transformers - Part 1: General requirements", NEQ);
IEC 61869-2:2012 "Измерительные трансформаторы. Часть 2. Дополнительные требования к трансформаторам тока" ("Instrument transformers - Part 2: Additional requirements for current transformers", NEQ)
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - Примечание изготовителя базы данных.
7 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Март 2019 г.
Информация о введении в действие (прекращении действия) настоящего стандарта и изменений к нему на территории указанных выше государств публикуется в указателях национальных стандартов, издаваемых в этих государствах, а также в сети Интернет на сайтах соответствующих национальных органов по стандартизации.
В случае пересмотра, изменения или отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована на официальном интернет-сайте Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации в каталоге "Межгосударственные стандарты"
1 Область применения
Настоящий стандарт распространяется на электромагнитные трансформаторы тока (далее - трансформаторы) на номинальное напряжение от 0,66 до 750 кВ включительно, предназначенные для передачи сигнала измерительной информации приборам измерения, защиты, автоматики, сигнализации и управления в электрических цепях переменного тока частотой 50 или 60 Гц, разработанные после 1 января 2016 г.
Дополнительные требования к отдельным видам трансформаторов в связи со спецификой их конструкции или назначения (например, для каскадных трансформаторов, трансформаторов, предназначенных для работы с нормированной точностью в переходных режимах, трансформаторов для установки в комплектных распределительных устройствах (КРУ), пофазно экранированных токопроводах, комбинированных) следует устанавливать в стандартах, технических условиях, договорах или контрактах (далее - документации) на трансформаторы конкретных типов.
Стандарт не распространяется на трансформаторы лабораторные, нулевой последовательности, суммирующие, блокирующие, насыщающиеся.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие межгосударственные стандарты:
ГОСТ 2.601-2013 Единая система конструкторской документации. Эксплуатационные документы
ГОСТ 8.217-2003 Государственная система обеспечения единства измерений. Трансформаторы тока. Методика поверки
ГОСТ 12.2.007.0-75 Система стандартов безопасности труда. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности
ГОСТ 12.2.007.3-75 Система стандартов безопасности труда. Электротехнические устройства на напряжение свыше 1000 В. Требования безопасности
ГОСТ 12.3.019-80 Система стандартов безопасности труда. Испытания и измерения электрические. Общие требования безопасности
ГОСТ 15.001-88 Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно-технического назначения
В Российской Федерации действует ГОСТ Р 15.301-2016 "Система разработки и поставки продукции на производство. Продукция производственного назначения. Порядок разработки и поставки продукции на производство".
ГОСТ 15.309-98 Система разработки и постановки продукции на производство. Испытания и приемка выпускаемой продукции. Основные положения
ГОСТ 27.003-90 Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности
ГОСТ 403-73 Аппараты электрические на напряжение до 1000 В. Допустимые температуры нагрева частей аппаратов
ГОСТ 1516.2-97 Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 3 кВ и выше. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции
ГОСТ 1516.3-96 Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции
ГОСТ 2933-83 Аппараты электрические низковольтные. Методы испытаний
В Российской Федерации действует ГОСТ 2933-83.
ГОСТ 3484.1-88 Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний
ГОСТ 3484.5-88 Трансформаторы силовые. Испытания баков на герметичность
ГОСТ 6581-75 Материалы электроизоляционные жидкие. Методы электрических испытаний
ГОСТ 8024-90 Аппараты и электротехнические устройства переменного тока на напряжение свыше 1000 В. Нормы нагрева при продолжительном режиме работы и методы испытаний
ГОСТ 8865-93 Системы электрической изоляции. Оценка нагрево-стойкости и классификация
ГОСТ 9920-89 (МЭК 694-80, МЭК 815-86) Электроустановки переменного тока на напряжение от 3 до 750 кВ. Длина пути утечки внешней изоляции
ГОСТ 10434-82 Соединения контактные электрические. Классификация. Общие технические требования
ГОСТ 14254-2015 (МЭК 529-89) Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (Код IP)
ГОСТ 15150-69 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды
ГОСТ 15543.1-89 Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к климатическим внешним воздействующим факторам
ГОСТ 15963-79 Изделия электротехнические для районов с тропическим климатом. Общие технические требования и методы испытаний
ГОСТ 16504-81 Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения
ГОСТ 16962.2-90 Изделия электротехнические. Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам
ГОСТ 17516.1-90 Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам
ГОСТ 18425-73 Тара транспортная наполненная. Метод испытания на удар при свободном падении
ГОСТ 18685-73 Трансформаторы тока и напряжения. Термины и определения
ГОСТ 19880-74 Электротехника. Основные понятия. Термины и определения
В Российской Федерации действует ГОСТ Р 52002-2003.
ГОСТ 20074-83 Электрооборудование и электроустановки. Метод измерения характеристик частичных разрядов
В Российской Федерации действует ГОСТ Р 55191-2012.
ГОСТ 21130-75 Изделия электротехнические. Зажимы заземляющие и знаки заземления. Конструкция и размеры
ГОСТ 21242-75 Выводы контактные электротехнических устройств плоские и штыревые. Основные размеры
ГОСТ 23216-78 Изделия электротехнические. Хранение, транспортирование, временная противокоррозионная защита, упаковка. Общие требования и методы испытаний
ТРЕБОВАНИЯ К ТОЧНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА, ПИТАЮЩИХ РЗ
Трансформаторы тока, питающие РЗ, должны работать с определенной точностью в пределах значений токов КЗ, на которые РЗ должна реагировать. Эти токи, как правило, превышают номинальные токи ТТ I1 ном,и, следовательно, точная работа ТТ должна обеспечиваться при первичных токах I1 >I1 ном.
Предельные значения I1 max и соответствующие им допустимые Zн из условия 10%-ной погрешности должны давать заводы, изготавливающие ТТ. Предельные значения I1 max обычно даются в виде кратности этого тока по отношению к номинальному первичному току ТТ: К1 тах = I1 max/I1 ном.
Кроме РЗ ТТ питают измерительные приборы. Точность работы ТТ, питающих измерительные приборы, характеризуется классом точности, а РЗ – предельной кратностью первичного тока I10 = I1 max/I1 ном и допустимой нагрузкой Zн.доп, при которых гарантируется, что полная погрешность ТТ е не превысит 10%. Погрешности класса точности устанавливают, исходя из условий точной работы измерительных приборов в диапазоне токов нормальных режимов, а погрешность при предельной кратности тока К10и нагрузке Zн.доп в соответствии с требованиями, предъявляемыми РЗ.
Трансформаторы тока класса Р предназначены для РЗ, и поэтому их погрешности при номинальных токах не нормируются. Работа ТТ с погрешностью, соответствующей классу, обеспечивается при нагрузке вторичной обмотки, не выходящей за пределы номинальной.
При предельной кратности К10 и нагрузке Zн, соответствующей любой точке кривой К10 = f(Zн), ТТ работают на перегибе характеристики намагничивания в точке H (рис.3.4 и 3.6), т.е. вблизи начала насыщения магнитопровода. Соответствующий этой точке ток Iнаc и является указанным выше предельным максимальным током.
На рис.3.5, б приведена характеристика предельной кратности ТТ типа ТФЗМ 110 OБ-IV-5-88 вторичной обмотки класса точности 10Р для разных К10[27].
Аналогичные характеристики заводы, производящие ТТ, представляют и для других классов обмоток. Эти характеристики при необходимости могут использоваться для оценки нагрузки на ТТ и значений токов, при которых погрешность ТТ не превышает 10%.
называемые магнитными ТТ (МТТ). Вторичная обмотка МТТ располагается вдали от токоведущих частей на стальном сердечнике и не требует специальной изоляции от высокого напряжения. Первичный ток, протекая по проводу защищаемого объекта, создает магнитное поле. Часть силовых линий этого поля замыкается по сердечнику МТТ, индуцируя ЭДС Е2. Размеры и стоимость такого устройства значительно меньше, чем у обычных ТТ, но его мощность невелика (примерно 0,5 Вт).
Для уменьшения влияния помех в ОРГРЭС разработаны магнитные ТТ с дифференциальными датчиками типа ТВМ. Подобные ТТ представляют собой стальной сердечник П-образной формы с двумя одинаковыми, соединенными встречно-последовательно обмотками 1 и 2, надетыми на полюсы сердечника (рис.3.24, б).
Проекция провода фазы А, для контроля за которым предназначен изображенный на рис.3.24, б датчик, находится в центре сердечника. Магнитный поток ФА,пропорциональный току IА,проходит по полюсам сердечника в противоположных направлениях. При этом, поскольку обмотки ТВМ соединены встречно, ЭДС обеих обмоток суммируются арифметически: ЭДС ЕАравна удвоенной ЭДС каждой обмотки.
Магнитные потоки, создаваемые токами других фаз (например, Ф'Ви Ф''В,пропорциональные току IB),проходят по полюсам ТВМ в одном направлении, и индуцируемые ими ЭДС в обмотках вычитаются. Благодаря этому уменьшаются помехи, создаваемые в ТВМ токами соседних фаз. Трансформаторы ТВМ устанавливаются на разъединителях или отделителях высокого напряжения и крепятся с помощью фиксаторов из немагнитного материала.
В связи с внедрением микроэлектронных и микропроцессорных РЗ, имеющих очень малое потребление цепей тока и напряжения, разрабатываются ТТ и ТН, в которых информация о значениях тока и напряжения передается с помощью волоконно-оптических каналов. Существует несколько способов выполнения таких измерительных трансформаторов. Один из них основан на установке на потенциале ЛЭП маломощных датчиков тока и напряжения и системы преобразования информации о токах и напряжениях в цифровую форму. Эта информация передается по оптическому каналу, имеющему хорошие изолирующие свойства, на оптико-электронные приемники, расположенные на потенциале земли, где осуществляется обратное преобразование световых импульсов в напряжения, пропорциональные току и напряжению ЛЭП. Такие ТТ и ТН пока не получили широкого распространения, так как в энергосистемах продолжается использование электромеханических устройств РЗ, потребление которых велико, и мощности оптико-электронных ТТ и ТН оказывается недостаточно.
6-4. Трансформаторы тока
Принципиальным отличием трансформатора тока от трансформатора напряжения является то, что его первичная обмотка включается последовательно в цепь измеряемого тока и, следовательно, через нее проходит весь ток нагрузки или короткого замыкания. Этот ток является для трансформатора тока принужденным и проходит по его первичной обмотке независимо от состояния вторичной обмотки, т. е. от того, замкнута ли она на нагрузку, закорочена или разомкнута [Л. 43, 45, 47, 48, 56, 94].
Устройство и схема включения трансформатора тока показаны на рис. 6-11. Так же как и трансформатор напряжения, трансформатор тока состоит из стального сердечника С и двух обмоток: первичной и вторичной Часто трансформаторы тока изготавливаются с двумя и более сердечниками. В этих конструкциях первичная обмотка является общей для всех сердечников (рис. 6-11, 6). Первичная обмотка, выполняемая толстым проводом, имеет несколько витков и включается последовательно в цепь того элемента, в котором производится измерение тока или осуществляется защита. К вторичной обмотке, имеющей большое число витков, подключаются последовательно соединенные реле и приборы.
Ток, проходящий по первичной обмотке трансформатора тока, называется первичным и обозначается I1 а ток во вторичной обмотке называется вторичным и обозначается I2.
Ток I1 создает в сердечнике трансформатора тока магнитный поток Ф1 который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней вторичный ток I2, который также создает в сердечнике магнитный поток Ф2 но направленный противоположно магнитному потоку Ф1. Результирующий магнитный поток в сердечнике равен разности
Величина магнитного потока зависит не только от величины создающего его тока, но и от количества витков обмотки, по которой этот ток проходит. Произведение тока на число витков называется намагничивающей силой и выражается в ампер-витках (Ав). Поэтому выражение (6-3) можно заменить выражением
где I0 — ток намагничивания, являющийся частью первичного тока, обеспечивающий результирующий магнитный поток в сердечнике (в дальнейшем обозначается Iнам.);
, — число витков первичной и вторичной обмоток.
Разделив все члены выражения (6-4 б) на , получим:
Отношение витков называется коэффициентом трансформации трансформатора тока.
Поскольку при величинах первичного тока, близких к номинальному значению, ток намагничивания не превышает 0,5—3% номинального тока, то в этих условиях можно с некоторым приближением считать Iнам= 0. Тогда из выражения (6-5) следует:
Согласно действующему стандарту [Л. 46] отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току называется номинальным коэффициентом трансформации. Номинальные коэффициенты трансформации указываются на щитках трансформаторов тока, а также на схемах в виде дроби, в числителе которой — номинальный первичный ток, а в знаменателе — номинальный вторичный ток, например: 600/5 или 1 000/1.
Все пересчеты с первичного тока на вторичный и со вторичного на первичный производятся по этим номинальным коэффициентам трансформации по формулам:
Для правильного соединения трансформаторов тока между собой и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счетчиков выводы обмоток трансформаторов тока обозначаются (маркируются) заводами следующим образом: начало первичной обмотки—Л1 начало вторичной обмотки — u1; конец первичной обмотки — Л2, конец вторичной обмотки — u2.
При монтаже трансформаторов тока они обычно располагаются так, чтобы начала первичных обмоток Л1 были обращены в сторону шин, а концы Л2 — в сторону защищаемого оборудования.
При маркировке обмоток трансформаторов тока за начало вторичной обмотки н принимается тот ее вывод, из которого ток выходит, если в этот момент в первичной обмотке ток проходит от начала Н к концу К, как показано на рис. 6-12. При маркировке и включении реле по этому правилу ток в реле, как показано на рис. 6-12, при включении его через трансформатор тока сохраняет то же направление, что и при включении непосредственно в первичную цепь.
б) Погрешности трансформаторов тока
Коэффициент трансформации трансформаторов тока так же, как у трансформаторов напряжения, не является строго постоянной величиной и может из-за погрешностей отличаться от номинального значения. Величина погрешностей трансформатора тока зависит главным образом от кратности первичного тока по отношению к номинальному току первичной обмотки и от нагрузки, подключенной к вторичной
обмотке. Классификация трансформаторов тока по допустимым погрешностям приведена в табл. 6-2.
Допустимые погрешности, приведенные в табл. 6-2, соответствуют нагрузкам вторичной обмотки, не превышающим номинальной, и при вторичном токе, не превышающем 120% номинального. При увеличении нагрузки или тока выше указанных значений погрешность возрастает и трансформатор тока переходит в другой класс точности.
Требования к работе трансформаторов тока, питающих защиту, существенно отличаются от требований к трансформаторам тока, питающим измерительные приборы. Если трансформаторы тока, питающие измерительные приборы, должны работать точно в пределах своего класса при токах нагрузки, близких к их номинальному току, то трансформаторы тока, питающие релейную защиту, должны работать с достаточной точностью при прохождении токов к. з., значительно превышающих номинальный ток трансформаторов тока.
Правила устройств электроустановок [Л. 41] требуют, чтобы трансформаторы тока, предназначенные для питания релейной защиты, имели погрешность, как правило, не более 10%. Большая погрешность допускается в отдельных случаях, когда это не приводит к неправильным действиям релейной защиты.
Погрешности возникают вследствие того, что действительный процесс трансформации в трансформаторе тока происходит с затратой мощности, которая расходуется на создание в сердечнике магнитного потока, перемагничивание стали сердечника (гистерезис), потери от вихревых токов, нагрев обмоток. Указанные потери мощности вносят искажения в полученные выше соотношения между первичным и вторичным токами (6-7).
Процесс трансформации тока из первичной обмотки во вторичную хорошо иллюстрируется так называемой схемой замещения трансформатора тока, приведенной на рис. 6-13. На этой схеме z1 и z2 — сопротивления первичной и вторичной обмоток, а zнам. — сопротивление ветви намагничивания, которое характеризует указанные выше потери мощности.
Из схемы замещения видно, что первичный ток I1 входящий в начало первичной обмотки Н, проходит по ее сопротивлению z1 и в точке а разветвляется по двум параллельным ветвям.
Основная часть тока, являющаяся вторичным током I2, замыкается через сопротивление вторичной обмотки z2 и сопротивление нагрузки zH, состоящее из сопротивлений реле, приборов и соединительных проводов. Другая часть первичного тока Iнам. замыкается через сопротивление ветви намагничивания и, следовательно, в реле, подключенное к вторичной обмотке трансформатора тока, не попадает. Поскольку из всех затрат мощности наибольшая часть приходится на создание магнитного потока в сердечнике, то ветвь между точками а и б схемы замещения трансформатора тока называется ветвью намагничивания и весь ток Iнам. , проходящий по этой ветви, — током намагничивания.
Таким образом, схема замещения показывает, что во вторичную обмотку трансформатора тока поступает не весь трансформированный ток, равный I1 / nT , а его часть и что, следовательно, процесс трансформации происходит c погрешностями.
На рис. 6-14 приведена упрощенная векторная диаграмма трансформатора тока, из которой видно, что вектор вторичного тока I2 меньше первичного тока, деленного на коэффициент трансформации I1 / nT, на величину и сдвинут относительно него на угол
Таким образом, соотношение первичного и вторичного токов для действительных условий имеет вид:
(точки над обозначениями токов указывают на то, что вычитание должно производиться век-торно в соответствие с правилами, изложенными в гл. 1).
Различают следующие виды погрешностей трансформаторов тока.
Токовая погрешность, или погрешность в коэффициенте трансформации, определяется как арифметическая разность между первичным током, поделенным на номинальный коэффициент трансформации I1/nT и измеренным (действительным) вторичным током I 2 (отрезок на диаграмме рис. 6-14):
Угловая погрешность определяется как угол сдвига вторичного тока I2 относительно первичного тока I1 (см. рис. 6-14) и считается положительной, когда I2 опережает I1 .
Относительный ток намагничивания определяется как выраженное в процентах отношение численного значения вторичного тока намагничивания Iнам к первичному току I1/nT:
где есть численное значение вектора
тока намагничивания (Iнам. на векторной диаграмме рис. 6-14). Относительный ток намагничивания характеризует общую погрешность трансформатора тока как по току, так и по углу.
Полная погрешность определяется как выраженное в процентах отношение действующего значения разности между мгновенными значениями первичного и вторичного токов к действующему значению первичного тока:
При синусоидальных первичном и вторичном токах:
Из рассмотренного следует, что причиной возникновения погрешностей у трансформаторов тока является прохождение тока намагничивания, т. е. того самого тока, который создает в сердечнике трансформатора тока рабочий магнитный поток, обеспечивающий трансформацию первичного тока во вторичную обмотку. Чем меньше ток намагничивания, тем меньше погрешности трансформатора тока.
Как видно из схемы замещения (рис. 6-13), величина тока намагничивания зависит от э. д. с. Е2 и сопротивления ветви намагничивания zнам, т. е.
Электродвижущая сила E2 может быть определена, как падение напряжения от тока I2 в сопротивлении вторичной обмотки z2 и сопротивлении нагрузки zH, т. е.
Так как величина вторичного тока I2 зависит от величины первичного тока I1, то Е2, а следовательно, и ток намагничивания Iнам. возрастают при увеличении тока I1 или увеличении сопротивления нагрузки zH , подключенной ко вторичной обмотке.
Сопротивление ветви намагничивания zнам зависит от конструкции трансформаторов тока и качества стали, из которой выполнен сердечник. Это сопротивление не является постоянной величиной, а зависит от характеристики намагничивания стали. При насыщении стали сердечника трансформатора тока zнам резко уменьшается, что приводит к возрастанию Iнам и как следствие этого к возрастанию погрешностей трансформатора тока.
Таким образом, условиями, определяющими величины погрешностей трансформаторов тока, являются: отношение, т. е. кратность, первичного тока, проходящего через трансформатор тока, к его номинальному току и величина нагрузки, подключенной к его вторичной обмотке. Выбор трансформаторов тока по этим условиям рассмотрен в § 6-5.
в) Схемы соединения трансформаторов тока
Для подключения реле и измерительных приборов вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются в различные схемы. Наиболее распространенные схемы приведены на рис. 6-15.
На рис. 6-15, а дана основная схема соединения в звезду, которая применяется для включения защиты от всех видов однофазных и междуфазных к. з.
На рис. 6-15, б дана схема соединения в неполную звезду, используемая главным образом для включения защиты от междуфазных к. з. в сетях с изолированными нулевыми точками.
На рис. 6-15,в дана схема соединения в треугольник, используемая для получения разности фазных токов (например, для включения дифференциальной защиты трансформаторов).
На рис. 6-15, г дана схема соединения на разность токов двух фаз. Эта схема используется для включения защиты от междуфазных к. з., так же как схема на рис. 6-15, б.
На рис. 6-15, д дана схема соединения на сумму токов всех трех фаз, используемая для включения защиты от однофазных к. з. и замыканий на землю. Как известно, сумма токов симметричной трехфазной нагрузки, а также токов симметричного трехфазного и двухфазного к. з. равна нулю. Поэтому в указанных случаях ток в реле, подключенном к этой схеме, также равен нулю. При однофазных к. з. и замыканиях на землю ток проходит только по одной поврежденной фазе, поэтому сумма фазных токов не будет равна нулю и в реле будет проходить ток повреждения.
Практически из-за того, что трансформаторы тока имеют неодинаковые погрешности, в реле и при симметричных токах в фазах проходит небольшой ток, называемый током небаланса. Рассмотренная схема называется также схемой фильтра нулевой последовательности.
На рис. 6-15, e дана схема последовательного соединения двух трансформаторов тока, установленных на одной фазе.
При таком соединении нагрузка, подключенная к ним, распределяется поровну, т. е. на каждый уменьшается в 2 раза. Происходит это потому, что ток в цепи, равный I2 = I1/nT, остается неизменным, а напряжение, приходящееся па каждый трансформатор тока, составляет I2zH / 2. Рассмотренная схема применяется при использовании маломощных трансформаторов тока, например, встроенных в вводы выключателей.
На рис. 6-15, ж дана схема параллельного соединения двух трансформаторов тока, установленных на одной фазе. Схема имеет особенность, которая состоит в том, что ее коэффициент трансформации в 2 раза меньше коэффициента трансформации одного трансформатора тока. Происходит это от того, что ток в реле равен сумме вторичных токов трансформаторов тока, т. е. в 2 раза больше каждого. Поэтому если коэффициент трансформации каждого трансформатора тока равен nT =I1/ I2, то коэффициент трансформации схемы равен nCX =I1 / 2 I2, т. е. в 2 раза меньше.
Это свойство используется для повышения мощности встроенных трансформаторов тока тина ТВ-35 с малыми коэффициентами трансформации: 50/5, 75/5. Дело в том, что вторичная обмотка трансформатора тока ТВ-35 с коэффициентом трансформации, например, 50/5 = 10 должна иметь всего 10 витков, так как токоведущий стержень ввода представляет собой одновитковую первичную обмотку. При таком малом числе витков трансформатор тока имел бы весьма малую мощность. Для повышения мощности эти трансформаторы тока выполняются с коэффициентом трансформации не 50/5, а 50/2,5 — 20 и имеют поэтому 20 витков вторичной обмотки. Благодаря удвоенному количеству витков мощность трансформатора тока возрастает, но для получения стандартного коэффициента трансформации 50/5 вторичные обмотки двух трансформаторов тока одной фазы 50/2,5 соединяются параллельно.
Кроме того, схема параллельного соединения используется для получения нестандартных коэффициентов трансформации. Например, для получения коэффициента трансформации 37,5/5 соединяют параллельно два стандартных трансформатора тока с коэффициентом трансформации 75/5.
УСЛОВИЯ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ В СХЕМАХ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
На точность работы трансформатора тока влияет не только нагрузка, но и величина первичного тока (I1), так как с ростом тока I1 выше номинального линейная связь между первичными и вторичными токами нарушается, вследствие насыщения магнитной цепи. Точность работы трансформатора тока для релейной защиты, характеризуется полной погрешностью, которая равна:
, (1.2)
где I1 – действующее значение первичного тока; Т – длительность периода тока; nТ – номинальный коэффициент трансформации трансформаторов тока (отношение номинального первичного к номинальному вторичному току); i1, i2 – мгновенные значения первичного и вторичного токов.
Шабад М.А. Трансформаторы тока в схемах релейной защиты. Часть первая. Экспериментальная и расчетная проверки
Шабад М.А. Трансформаторы тока в схемах релейной защиты. Часть первая. Экспериментальная и расчетная проверки
Предисловие
Трансформатор тока – один иэ наиболее распространенных видов электрических трансформаторов – устройств, преобразующих или изменяющих параметры электрической энергии ("Transformo" на латинском языке означает "преобразую").¶
Измерительные трансформаторы тока (ТТ) своей первичной обмоткой включаются последовательно в измеряемую (защищаемую) цепь электроустановки, например, в линию электропередачи. Вторичная обмотка ТТ замыкается на измерительные приборы (амперметры, счетчики электрической энергии) и аппараты релейной защиты практически всех типов.¶
От исправности и точности работы ТТ зависит не только правильный повседневный учет электроэнергии, отпускаемой потребителям, но и бесперебойность электроснабжения потребителей и сохранность самой электроустановки, особенно при коротких замыканиях (КЗ).¶
Точность ТТ характеризуется их полной погрешностью в передаче значения тока и угловой погрешностью в передаче фазы измеряемого тока. Требования к точности различны для ТТ, питающих измерительные приборы, и для ТТ, питающих аппаратуру релейной защиты.¶
Точная работа ТТ, используемых для релейной зашиты, необходима для правильного функционирования большинства типов релейной защиты: максимальных токовых защит и токовых направленных зашит, дистанционных и дифференциальных защит и т.п. Лишь в относительно редких случаях применяется релейная защита, не требующая измерительных ТТ (например, защита минимального напряжения).¶
Читайте также: