2. Измерительные трансформаторы тока и напряжения

Измерительные органы релейной защиты подключаются к защищаемому элементу с помощью специальных измерительных трансформаторов.

Назначение измерительных трансформаторов - изолировать измерительные приборы и реле от цепей высокого напряжения, снизить токи и напряжения до величин удобных и безо­пасных для работы реле и измерения. Применение измерительных трансформаторов позво­ляет также унифицировать реле и приборы.

Трансформаторы тока (ТА). ТА состоит из стального сердечника из шихтованной стали и двух обмоток - первичной w₁и вторичнойw₂, причемw₁<<w₂. Первичная об­мотка ТА подключается последовательно в цепь защищаемого элемента, к вторичной обмот­ке присоединяются реле или измерительные приборы. Ток, протекающий по обмоткеw₁, создает магнитный поток Ф₁, который индуцирует ток во вторичной обмоткеI₂. ТокI₂, в свою очередь, создает магнитный поток Фт , направленный навстречу потоку Ф₁ . Результирующий магнитный поток Фт = Ф₁- Ф₂,

Аналогичное выражение может быть записано для намагничивающих сил F = I, т.е.

;, (2.1)

где I_нам - ток намагничивания, обеспечивающий создание магнитного потока в сердечнике. Из последнего выражения делением всех членов уравнения на w₂ можно получить

, или

где n_тв- витковый коэффициент трансформации,

На практике чаще используют номинальный коэффициент трансформации

записанный через значения номинальных токов. Анализируя уравнение (2.2), можно заме­тить, что расчетное значение токаи действительное значениеотличаются друг от друга. ВеличинаI_нам/n_т вносит погрешность в величину и фазу тока I₂, поскольку не весь ток I₁ трансформируется во вторичную обмотку, что обусловливает наличие погрешностей в работе ТА.

рис.5. Схема замещения ТА

Для анализа погрешностей ТА составим схему за­мещения и построим векторную диаграмму. Схема замещения строится при следующих допущениях (рис. 5):

- все магнитные связи заменены электрическими;

- параметры первичной обмотки приведены к чис­лу витков вторичной обмотки;

- вектор тока I₂ повернут на 180⁰ по сравнению с его действительным направлением.

- сопротивление первичной обмотки, приведенное к W2;

- сопротивление намагничивания, приведенное к W₂, ,- ток пер­вичной обмотки и ток намагничивания, приведенные кw₂ .

На схеме рис. 5 приведено обозначения выводов обмоток ТА: первичная обмотка имеет маркировку Л₁ - начало, Л₂ - конец обмотки, а вторичная – И₁ - начало, И₂ - ко­нец обмотки.

Наличие I_нам обусловлено тем, что процесс трансформации происходит с затратой энергии, которая идет на создание магнитного потока в сердечнике, на гистерезис, на по­гори на вихревые токи и нагрев обмоток. Из схемы замещения видно, что , т.е.,т.е. вторичный ток отличается от расчетного первичного, что может исказить работу защиты.

На основе схемы замещения (см. рис. 5) построим векторную диаграмму для анализа величин токов (рис. 6). Сначала строим I₂, затем . Величина ЭДС

.Магнитный поток Ф_Н отстает от Е₂ на 90°.

; .

Из векторной диаграммы видно, что I₁ отличается от I₂ по модулю и сдвинут на угол . Отсюда выделяют погрешности ТА - токовую и угловую.

Токовая погрешность - алгебраическая разность токов:

- абсолютная ;

- относительная .

Угловая погрешность - величина угла 5, являющегося углом сдвига между I₂ и I₁ .

Чем больше величина I_нам, тем больше погрешности трансформатора тока. Чем меньше погрешности ТА, тем точнее работает защита. I_нам имеет две составляющие - активную I_{нам.акт} и реактивную I_нам.р.

Ток I_{нам.акт} обусловлен активными потерями (гистерезис) и вихревыми токами. Для его снижения сердечники ТА делают из шихтованной трансформаторной стали, поскольку величина этих потерь определяется качеством и параметрами стали.

Ток I_нам.р служит для создания магнитного потока Ф_т , который индуцирует Е₂ во

вторичной обмотке. Для снижения I_нам.р нужно снижать Ф_т , который определяется как , гдеR_м - магнитное сопротивление.

Связь эта представлена на рис. 7. В области до I_нам.р изменение Ф_т почти линейно, при I_нам.р >I'_нам.р происходит насыщение сердечника и малому изменению Ф_т соответствует большое изменение I_нам.р ,что в свою очередь, приводит к увеличению токовой погрешности (и) ТА. Для того чтобы снизить эти погрешности, нужно так вы­брать параметры схем релейной защиты и автоматики, чтобы рабочая зона располагалась в линейной части характеристики намагничивания ТА:

Рис. 6. Векторная диаграмма ТА

Рис. 7. Характеристика намагничивания ТА

В связи с этим для уменьшения тока намагничивания, а следовательно, и уменьшения погрешности ТА необходимо снижать ZH, определяемое сопротивлением токовых обмоток реле, соединительных проводов и контактов, и уменьшать I₂.

Для нормальной эксплуатации устройств релейной защиты и автоматики погрешности и.

Следует особо отметить необычность режимов холостого хода и короткого замыкания для ТА. Так работа ТА в режиме холостого хода, когда контакты И1 - И2 вторичной обмот­ки разомкнуты, является аварийной. В таком режиме I₂=0 и в соответствии с (2.1) весь магнитный поток I₁w₁ идет на намагничивание сердечника. Размагничивающего действия вторичного потока I₂w₂ нет. Происходит перегрев стали магнитопровода. Кроме того, в со­ответствии со схемой замещения весь ток I1 протекает через большое сопротивление к создает ЭДСE2 , которая может достигать нескольких киловольт. Перенапряжение и пере­грев могут привести к пробою изоляции вторичной обмотки ТА. Таким образом, работа ТА в режиме холостого хода недопустима, поэтому в случае, когда ТА не используется, его следу­ет держать в режиме короткого замыкания, который для ТА является нормальным.

В устройствах релейной защиты обмотки трансформаторов тока и реле соединяются по определенным схемам. Поведение реле зависит от характера распределения тока по обмот­кам реле при различных видах к.з.

Все схемы соединения, кроме изображенной на рис. 8, д, принято характеризовать ко­эффициентом схемы k_сх, который определяется как отношение тока, протекающего по реле, к вторичному фазному току ТА k_cx = I_р/. Данный коэффициент обычно равен 1 (для схем рис. 8, а и 8, б) или(для схем рис. 8, в и 8, г).

При выполнении МТЗ и токовых отсечек наиболее часто применяют следующие схемы:

1. Трехфазная трехрелейная схема полной звезды для защит сетей с глухозаземленной нейтралью от всех видов замыканий (рис. 8, а).

2. Двухфазная двухрелейная (трехрелейная) схема в качестве зашиты от междуфазных замыканий в сетях с изолированной нейтралью (рис. 8, б).

3. Двухфазная однорелейная схема в качестве защиты от междуфазных к.з. для неот­ветственных потребителей (рис. 8, в).

4. Схема соединения ТА в треугольник, а реле - в звезду в дистанционных и дифферен­циальных защитах трансформаторов от всех видов к.з. (рис. 8, г).

5. Фильтр токов нулевой последовательности для выполнения защит от замыканий на землю в сети с глухозаземленной нейтралью (рис. 8, д).

Рис. 8. Схемы соединения трансформаторов тока и обмоток реле

Рис. 9. Распределение токов при различных видах к.з.:

а - трехфазное к.з.; б - двухфазное к.з. между фазами АС; в - однофазное к.з. на землю

Для выбора возможности применения какой-либо из приведенных на рис. 8 схем со­единения необходимо провести анализ поведения реле в выбранной схеме при различных видах к.з. Для этого на выбранную схему соединения наносят первичные токи, соответст­вующие им вторичные токи ТА и затем определяют направление и величину тока, проте­кающего по каждому реле.

При анализе трехфазных, двухфазных и однофазных к.з. для схемы, приведенной на рис. 9, становится очевидным, что на трехфазные и двухфазные к.з. реагируют оба реле или одно из них. При однофазном к.з. в фазе В нет тока ни в одном из реле. Следовательно, для защиты от однофазных к.з. данную схему применять нельзя, а для междуфазных к.з. примене­ние ее возможно.

Трансформаторы напряжения (TV). По принципу действия TV аналогичен силовому трансформатору, но W1>>W2, где W1,W2 - число витков первичной и вторичной обмоток. Введем обозначение n_тн= U₁/ - коэффициент трансформации TV, где U_2хх - напряжение вторичной обмотки при условии, что она разомкнута. Схема замещения TV аналогичнаa схеме замещения ТА и построена при тех же самых допущениях (рис. 10).

Построим векторную диаграмму для иллюстрации погрешностей TV. Построение векторной диаграммы начинается с U₂ и I₂. Затем строят Е₂=U₂+I₂(r₂ + jX₂) Поток Ф_Т отстает от Е₂ на 90°. Из схемы замещения =I₂ + , затем можно построить

Из векторной диаграммы видно, что U₂ отличается от по модулю и сдвинуто на угол. Погрешность по модулю

Рис. 10. Схема замещения и векторная диаграмма TV

а.б.

Рис. 11. Схемы соединения трансформаторов напряжения:

а - схема соединения; б - схема соединения

Отсюда видно, что для снижения погрешности TV необходимо уменьшать сопротивле­ние обмоток W₁ и W2, снижать ток намагничивания I_H и ток I₂ .

Погрешность TV может быть абсолютной по напряжению , относитель­ной, угловой - величина угла.

Для питания цепей релейной защиты, автоматики и измерения TV соединяются по оп­ределенным схемам. Выбор схемы зависит от того, какое напряжение нужно - фазное, ли­нейное или напряжение нулевой последовательности. Наиболее часто применяемые схемы соединения приведены на рис. 11.