Особенности работы трансформаторов тока в схемах релейной защиты

Трансформаторы напряжения в схемах релейной защиты

Назначение

Измерительные преобразователи являются общими элементами для всех схем релейной защиты. Их основное назначение изолировать цепи высокого напряжения от вторичных цепей защиты и преобразовать входные величины в величины, удобные для измерений. К наиболее распространенным относятся электромагнитные трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Трансформаторы тока рассчитываются на получение вторичных токов величиной 5A или 1 A , при помощи транс- форматоров напряжения получают вторичные напряжения 100 В или

100 В .

В качестве примера на Рис.8 показан внешний вид низковольтного ка- бельного и высоковольтного трансформаторов тока.

а) б)

Рис. 8 Трансформаторы тока:

а) низковольтный кабельный трансформатор тока; б) трансформатор тока на напряжение 220 кВ

Особенности работы трансформаторов тока в схемах релейной

защиты

Конструктивно трансформатор тока представляет собой стальной сер-

дечник с двумя обмотками: первичной

w1 и вторичной

w2 (Рис.9).

Рис.9 Устройство трансформатора тока

При протекании тока по первичной обмотке трансформатора тока соз- дается магнитный поток, который наводит во вторичной обмотке, замк-

нутой на сопротивление нагрузки, ток

I 2 . Для идеального трансформа-

тора тока сумма намагничивающих сил обмоток равна нулю:

I1w1 + I 2w2 = 0,

отсюда

I 2 = -

I1 .

Отношение чисел витков обмоток называется витковым коэффициентом трансформации трансформатора тока:

nв = w2 w1.

Отношение первичных и вторичных номинальных токов называется номинальным коэффициентом трансформации трансформатора тока.

nТТ

= I1ном .

I 2ном

Из-за потерь в стали сердечника значения виткового и номинального коэффициентов трансформации трансформаторов тока различны. Для

рассмотрения причин, вызывающих эту разницу, обратимся к схеме за- мещения трансформатора тока (Рис.10).

Первичный ток

I1 проходит сопротивление

z1 и далее разветвляется по

двум параллельным ветвям. На нагрузку поступает вторичный ток

I 2 ,

по ветви намагничивания замыкается ток

I нам = I1 - I 2 , называемый

током намагничивания. Введение ветви намагничивания в схему заме- щения трансформатора тока позволяет учесть погрешности при реаль- ном процессе трансформации.

Рис.10 Схема замещения трансформатора тока

Таким образом, соотношение первичного и вторичного токов имеет вид:

uur

I 2 =

I 1 - I нам ,

nТТ

то есть реальный трансформатор тока имеет погрешности.

Различают следующие виды погрешностей.

Токовая погрешность определяет разницу между измеренным модулем тока и его фактическим значением:

f = I1 -I 2 ×100 %.

1 I1

Фазовая погрешность определяет угол сдвига вторичного тока относи- тельно первичного.

Из схемы замещения следует, что величина погрешности зависит от

значения сопротивления ветви намагничивания

zнам и от его соотноше-

ния с сопротивлением нагрузки

zн .Сопротивление намагничивания оп-

ределяется конструкцией трансформатора тока, характеристикой стали

сердечника и кратностью первичного тока. Увеличение первичного тока

приводит к насыщению стали и уменьшению сопротивления

zнам , что

приводит к росту погрешности. Если увеличивать нагрузку при неиз- менном первичном токе, то также происходит увеличение погрешности.

Для примера в Табл.1 приведена классификация трансформаторов тока. Допустимые погрешности, приведенные в таблице, соответствуют на- грузкам вторичной обмотки не выше номинальных, и при вторичном токе, не превышающем 120 % номинального значения

Трансформаторы тока, предназначенные для питания схем релейной защиты, работают в режиме коротких замыканий или перегрузок обору- дования, когда первичные токи значительно превышают номинальные. Такие условия работы связаны с увеличенным значением погрешностей. И хотя сердечники трансформаторов тока для устройств релейной за- щиты выполняют из высококачественной электротехнической стали, насыщающейся при больших кратностях тока, обязательным условием возможности использования трансформатора тока является его провер- ка на допустимую погрешность.

Согласно нормативным требованиям, погрешность трансформаторов тока в режиме работы защиты не должна превышать 10%. Рекомендует- ся следующий порядок выбора трансформаторов тока:

1.Определяется рабочий ток защищаемого объекта

I раб .

2.По найденному значению тока и номинальному напряжению выбира- ется трансформатор тока.

3.Определяется максимально возможное значение тока повреждения

защищаемого объекта

I k max .

4.Рассчитывается кратность тока короткого замыкания как отношение

k =I k max .

I раб

5. На основании технической документации поставщика оборудования или справочных материалов и найденной кратности первичного тока

определяется допустимая нагрузка тора тока.

zндоп

для выбранного трансформа-

6. Рассчитывается фактическая нагрузка трансформаторов тока и сравнивается с допустимой.

zнфакт

7. Если

zндоп ³ zнфакт считается, что трансформатор тока удовлетворя-

ет требованиям точности и его можно использовать для данной схемы защиты.

Если

zндоп < zнфакт , то необходимо принять меры для уменьшения на-

грузки. В качестве таких мер можно назвать следующие:

- выбор трансформатора тока с увеличенным значением коэффициента трансформации;

- увеличение сечения контрольного кабеля;

- использование вместо одного трансформатора тока группу трансфор- маторов, соединенных последовательно.

Фактическую нагрузку трансформаторов тока можно рассчитать по вы- ражению:

zнфакт =z р +zпр +zкаб +zпер ,

где

z р – сопротивление реле;

zпр – сопротивление приборов;

zкаб –

сопротивление контрольного кабеля;

zпер

– сопротивление переходных

контактов. Сложение полных и активных сопротивлений для упроще- ния расчетов допускается производить арифметически. В трехфазной сети необходимо дополнительно учесть схему соединения трансформа- торов тока и вид короткого замыкания.

Трансформаторы тока, в отличие от силовых трансформаторов, работа- ют в условиях, близких к режиму короткого замыкания вторичных вы- водов. При размыкании вторичной обмотки весь первичный ток перехо- дит в ветвь намагничивания, и трансформатор тока переходит в режим глубокого насыщения, (Рис.11).

Режим насыщения сопровождается нагревом магнитопровода и возник- новением опасных перенапряжений на вторичных зажимах, что недо- пустимо по условиям изоляции вторичных цепей.

С учетом сказанного работа трансформатора тока с разомкнутой вто- ричной обмоткой недопустима, а работа с закороченной является част-

ным случаем нормальной работы. По условиям электробезопасности вторичные обмотки трансформаторов тока заземляются.

Рис.11 Кривые изменение во времени тока I, ампервитков, индукции B и э.д.с. E у трансформатора тока c разомкнутой вторичной обмоткой.

Трансформаторы напряжения в схемах релейной защиты

Трансформатор напряжения представляет собой сердечник, набранный из пластин электротехнической стали, с размещенными на нем первич- ной и вторичной обмотками (Рис.12)

Рис.12 Устройство трансформатора напряжения

Первичная обмотка

w1,имеющая большое число витков (несколько ты-

сяч), подключается параллельно силовой сети, к вторичной обмотке w2

подключаются измерительные приборы, цепи защит и сигнализации.

Преобразование напряжения U1

до величины U 2

определяется соотно-

шением витков первичной и вторичной обмоток:

U1 =w1 U 2 w2

Отношение чисел витков обмоток называется коэффициентом транс- формации трансформатора напряжения:

nтн

=w1

w2

Трансформаторы напряжения выполняются в однофазном и трехфазном исполнении. В зависимости от требуемой информации однофазные трансформаторы могут соединяться в различные схемы (Рис.13).

Рис.13 Схемы соединения однофазных трансформаторов напряжения

Для получения одного междуфазного напряжения используется схема, представленная на Рис13,б; для получения двух или трех междуфазных напряжений применяется схема неполной звезды (Рис.13,сСС).

На Рис.13,а приведено соединение трех трансформаторов напряжения в схему звезды. Эта схема используется для получения информации о фазных или междуфазных напряжениях.

Для получения напряжения нулевой последовательности наряду с фаз- ным и междуфазным применяются трансформаторы напряжения, имеющие две вторичные обмотки. Одна из вторичных обмоток соеди- няется в звезду, другая - в разомкнутый треугольник (Рис.14).

Вторичные обмотки трансформаторов напряжения обязательно зазем- ляются для обеспечения безопасности персонала при попадании высо- кого напряжения во вторичные цепи. При соединении вторичной об- мотки в звезду заземляется нулевая точка, в других случаях - один из фазных проводов.

Рис.14 Схема соединения обмоток трансформаторов с двумя вторичными обмотками

Для защиты от коротких замыканий во все незаземленные вторичные цепи трансформаторов напряжения устанавливаются предохранители или автоматические выключатели.

Трансформаторы напряжения имеют две погрешности:

1.Погрешность по напряжению, под которой понимается отклонение действительного значения коэффициента трансформации от его номи- нального значения.

2.Погрешность по углу

В зависимости от погрешностей трансформаторы напряжения подраз- деляются на классы точности. В Табл.2 приведена классификация трансформаторов в зависимости от класса точности.

В зависимости от нагрузки один и тот же трансформатор напряжения может работать в разных классах точности.

Поэтому в паспортных данных указывается два значения мощности:

- номинальная, при которой трансформатор работает в гарантированном классе точности;

- предельная, при которой нагрев обмоток не выходит за допустимые пределы.

Кроме основных погрешностей на точность измерений оказывает влия- ние падение напряжения в контрольном кабеле. Величина потерь норми- руется, так, для цепей релейной защиты она не должна превышать 3 %.

В Ы В О Д Ы

1. Трансформаторы тока и напряжения предназначены для преобразо- вания первичной информации о токе и напряжении в величины, удобные для измерений и безопасные для обслуживающего персонала.

2. Нормальными режимами работы для трансформаторов тока явля- ется режим короткого замыкания, а для трансформаторов напряже- ния - режим холостого хода.

3. Трансформаторы тока, предназначенные для питания схем релейной защиты, работают в условиях больших кратностей первичного тока, что приводит к увеличенному значению погрешностей.

3. Основные алгоритмы функционирования защит с относительной селективностью

Классификация защит

Максимальные токовые защиты