Общие сведения о трансформаторах тока, используемых в схемах релейной защиты
Первичные измерительные преобразователи тока. Электромагнитный ТТ тока является одной из разновидностей первичных преобразователей тока наряду с трансреакторами, магнитными датчиками и оптико-электронными преобразователями. Именно электромагнитные ТТ с замкнутым магнитопроводом имеют наибольшее распространение. Первые ТТ появились в начале XX века, когда потребовалась быстродействующая и селективная РЗ от КЗ в электроустановках напряжением выше I кВ. Вместо первичных реле тока, обмотка которых включается непосредственно в цепь защищаемого элемента (рис. 1, в), стали широко использоваться вторичные токовые реле, значительно более точные и менее громоздкие, чем первичные. Обмотка (катушка) вторичного реле тока включается в цепь через ТТ (рис. 1, б), благодаря чему она изолирована от первичного напряжения защищаемого элемента. Принцип действия ТТ. Первичная обмотка ТТ (»!) включается в цепь защищаемого элемента последовательно (рис. 2). Вторичная обмотка (Щ) замкнута на сопротивление 2^, состоящее из сопротивлений реле, измерительных приборов, соединительных проводов (кабелей), проложенных между ТТ и аппаратами защиты.
Первичный ток /] и вторичный ток /2, индуцированный во вторичной обмотке И^, создают намагничивающие силы, которые вызывают магнитные потоки Ф] и Ф2, замыкающиеся по
стальному магнитопроводу (раньше его называли сердечником). Намагничивающие силы (н.с.), равные /] Щ и /2 Щ и создаваемые ими магнитные потоки Ф[ и Ф2 геометрически складываются, создавая результирующий поток Фт вТТ:
гае Фт — рабочий магнитный по ток, пронизывающий обе обмотки ТТ и наводящий во вторичной обмотке электродвижущую силу(э.д.с) , которая создает в замкнутой цепи вторичной обмотки ток /2 (вторичный).
Магнитный поток Фт создается н.с. /нам^'ь иначе говоря, током намагничивания /н^, который является частью первичного тока 1\. Именно наличие тока нам обеспечивает трансформацию II в /2.
Однако ток намагничивания — это часть первичного тока, т.е. во вторичный ток трансформируется лишь часть первичного:
где — витковьй коэффициент трансформации ТТ.
В нормальном режиме при рабочих токах значение /тм невелико (0,5—3%) и поэтому витковый коэффициент может считаться равным коэффициенту трансформации ТТ:
При расчетных токах КЗ, если ток намагничивания ТГ не превышает 10% первичного тока, также может использоваться выражение (4), например, для вычисления вторичного тока (тока в реле):
Однако при больших значениях тока намагничивания выражениями (4) и (4а) нельзя пользоваться без учета /,пг). который и определяет полную погрешность ТТ, т.е. точность его работы в таких аварийных режимах, когда должна действовать релейная за щита.
Коэффициент трансформации является одним из основных параметров ТТ, он указывается на паспортной табличке ТТ и проверяется при наладке РЗ. Номинальные токи /) и /2 должны соответствовать ГОСТ 7746-78 “Трансформаторы тока”. В Рос сии и других странах СНГ значения /> могут быть либо 5 А, либо1 А Токи /| также стандартизованы: 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400,600 А и т.д.
Виды погрешностей ТТ и их влияние на работу устройств РЗ. Трансформаторы тока имеют три вида погрешностей: токовую, полную и угловую, значения которых тесно связаны друг с другом и зависят от степени насыщения магнитопровода ТТ. Чем больше это насыщение, а оно за висит, например, от значения первичного тока /(, тем меньше сопротивление так называемой “ветви намагничивания” тем больше ток в этой ветви и тем меньший ток попадает в реле (/2).
Наглядное представление о таком процессе дает схема замещения ТТ (рис. 3). Здесь магнитная связь между обмотками ТТ условно заменена электрической и все первичные величины при ведены к значениям вторичной стороны ТТ через коэффициент трансформации ТТ:
Приведенные сопротивления первичной обмотки ТТ 2[ = 2\ 1ц, а ветви намагничивания ^м =
Из схемы замещения (рис. 3) хорошо видно, что рост значения/щя может произойти не только при глубоком насыщении магнитопровода, но и подругой причине: при непредусмотренном увеличении сопротивления нагрузки2^. При этом не только уменьшается значение тока 12, но и искажается форма кривой этого тока, которая в нормальных условиях является, как известно, синусоидальной.
При сильном искажении формы тока 12 может произойти отказ защиты из-за ненадежного замыкания контактов некоторых реле: ЭТ-520, ИМБ, РЕМ, РТ-40. Методика расчетной проверки надежности работы этих реле будет изложена далее.
На основе схемы замещения ТТ строится его векторная диаграмма [3, 4]. На рис. 4, а приведен лишь конечный результат та кого построения.
Величина Д/, равная арифметической разности между // и называется токовой погрешностью, обозначается буквой /(иногда /]), выражается чаще всего в процентах и вычисляется по формуле:
Токовая погрешность является величиной отрицательной.
Угол 8, показывающий на сколько действительный ток /2 сдвинут относительного “идеального” тока /2, рассчитанного по формуле (4а), определяет угловую погрешность ТТ и указывается в градусах. Если токовая погрешность / не выше 10%, то угловая погрешность не более 10°. Одна ко при глубоком насыщении магнитопровода ТТ в случаях, близ ких КЗ, угловая погрешность может достигнуть больших значений и вызвать неправильное срабатывание направленных реле, реагирующих на ток, напряжение и угол между этими величинами. Поэтому в таких схемах зашиты не допускается работа ТТ с 8 > 45°, что соответствует/>50% [3].
Абсолютное значение вектора тока намагничивания 1^^, равного геометрической разности вектора приведенного первичного тока /| и вектора действительного вторичного тока 1^ называется полной погрешностью ТТ, обозначается греческой бук вой г., выражается чаше всего в процентах и вычисляется по формуле:
где [/нан] и [/П — действующие значения тока намагничивания и приведенного первичного тока.
Это выражение справедливо для синусоидального вторичного тока. Для несинусоидального тока имеется более сложное выражение [4], но очевидно, что полная погрешность ТТ соответствует току намагничивания ТТ. Рассмотрим соотношение / и е (рис. 4,6). Из векторной диаграммы (рис. 4, а) видно, что при6 > 0 всегда е >/, так как е представлен гипотенузой, / — катетом, а гипотенуза всегда больше катета. Из прямоугольного треугольника АВС видно, что Л/= /11амйп (а + у), и практически при а+ ?= 55+ 65°: Д/= 0,9) 1йам и, следователь но,/= (0,8 + 0,9) е.
Для чего это важно знать? Дело в том, что с 1930-х до 70-х годов при проектировании рас считывали сечение соединитель ных проводов исходя из того, что/<, 10%. И это было неправильна в отношении всех дифференциальных защит, ток небаланса которых определяется в первую очередь током 1тм, а следовательно, полной погрешностью е. С конца 1970-х годов для ТТ установлено требование е< 10%, независимо от типа подключен ной зашиты [1]. Способы рас четов ТТ на 10%ную полную погрешность рассматриваются далее.
Опасность размыкания вторичной обмотки ТТ. Из сказанного следует, что ток намагничивания ТТ в нормальных условиях очень мал (меньше 10%), так как он за ранее подбирается по допустимому значению 7^, исходя из условия работы ТТ с малыми погрешностями. При таком относительно небольшом сопротивлении 7^ невелики значения и ^2 (см- рис. 3).
Однако при случайном размыкании вторичной обмотки ток 1\ становится равным значению Аам* и поток Фт резко возраста ет, вызывая за счет повышенных потерь в стали сильный нагрев магнитопровола (сердечника), вплоть до пожара. При этом мгновенные значения э.д.с. Е1 могут оказаться очень большими, опасными для изоляции ТТ и д ля жизни обслуживающего персона ла, даже при нормальных рабочих токах защищаемого элемента.
Поэтому размыкание вторичной обмотки трансформатора тока недопустимо!
О других типах первичных преобразователей тока. Трансреактор(ТР) преобразовывает первичный ток в пропорциональную ему вторичную э.д.с. Стальной сердечник ТР всегда имеет зазор(у ТТ — это, как правило, замкнутый сердечник), а режим работы трансреактора близок к холостому ходу (х.х.), который для ТТ чреват КЗ.
Основным недостатком ТТ и ТР является их громоздкая конструкция, обусловленная необходимостью обеспечения изоляции первичной обмотки относительно сердечника (магнитопровода) с размещенной на нем вторич ной обмоткой. И чем выше номинальное напряжение электроустановки, тем сильнее чувствуется этот недостаток.
Разработаны и разрабатываются другие виды первичных из мерительных преобразователей тока. Наиболее перспективными считаются откко-злеюронные преобразователи. Находясь непосредственно в первичной цепи, они преобразуют ток в световой сигнал, который затем передается по оптико-волоконному кабелю к месту установки защитной аппаратуры и здесь снова преобразуется в электрический сигнал.
Об одном из подобных преобразователей — поясе или катушке Роговского необходимо сказать несколько слов. Предложенное в1912 г. устройство, иначе воздушный трансформатор тока в течение 80 лет был мало известен и практически использовался лишь для измерений, например, магнитных полей. В 90-х годах, с развитием микропроцессорных устройств РЗ оказалось, что именно для таких устройств катушка Роговского является наиболее под ходящим преобразователем первичного тока во вторичный. Эта катушка не может выдавать мощный сигнал на выходе, который необходим д ля работы электромеханических реле и электромагнитов отключения выключателей, однако для цифровых реле он и не требуется.
Сравнивая катушку Роговского с электромагнитным ТТ, необходимо в первую очередь отметить, что в ней отсутствует железный магнитопровод (сердечник) и, следовательно, невозможны опасное насыщение магнитопровода, искажение формы вторичного тока и возникновение больших погрешностей измерения, что особенно важно при больших кратностях тока КЗ. Кроме того, катушки Роговского имеют мень электромагнитные ТТ. Практческое применение катушки Роговского началось одновременно во всех крупных релестроительных фирмах Европы и США в1995-1997 гг.;
Схемы соединения ТГ. В трех фазных электрических сетях переменного тока всех классов напряжения ТТ для питания устройств РЗ устанавливаются в двух или в трех фазах: как правило, в сетях 6 и 10 кВ с малыми токами замыкания на землю — в двух фазах (А и С), в сетях 35 кВ и обязательно в сетях 110 кВ и выше — в трех фазах. Все три фазы оснащаются ТТ и в сетях напряжением до 1000 В, если они работают с глухозаземленнойнейтралью.
Соответственно применяются схемы соединения двух ТТ в “не полную звезду” и трех ТТ — в“полную звезду” (схемы приведены в [3,4, 5], а также в приложении I данной брошюры). Редко используется схема включения двух ТТ на разность токов двух фаз (однорелейная схема токовой отсечки практически применяется лишь для защиты электродвигателей небольшой мощности).
Для дифференциальных за щит трансформаторов (ДЗТ) с электромеханическими и статическими реле (РНТ, ДЗТ, РСТ) используется схема включения трех ТТ в “треугольник”. При выполнении ДЗТ с помощью современных цифровых реле (напри мер, серии БРАСОМ) вместо соединения ТТ в “треугольник” применяется схема “звезда”. Эго достоинство цифровой техники позволяет существенно уменьшить сопротивление 2^ вторичной нагрузки.