РЗ 2007 Лекция 2

13

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

ЛЕКЦИЯ №2

ВРЕМЯ– 2 часа

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Ознакомиться с видами измерительных преобразователей. Изучить условия работы и схемы включения трансформаторов тока.

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:

ВВЕДЕНИЕ – 5 мин

1. ВИДЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ – 30 мин.

2. УСЛОВИЯ РАБОТЫ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА – 50 мин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Фигурнов Е.П. Релейная защита: Учебник . В 2 ч. Ч. 1. 3-е изд. , перераб. и доп. – М.:ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. – С. 45 … 58.

2. ГОСТ 18685-73. ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ.

1. ВИДЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ – 10 мин.

Измерительные преобразователи тока и напряжения используются в релейной защите в качестве датчиков информации о режимах работы защищаемого объекта. В установках переменного тока в качестве таких преобразователей широко применяются трансформаторы тока и трансформаторы напряжения.

ГОСТ 18685-73. Трансформатором тока (напряжения) называется трансформатор, в котором при нормальных условиях применения вторичный ток (вторичное напряжение) практически пропорционален (пропорционально) первичному току (первичному напряжению) и при правильном включении сдвинут (сдвинуто) относительно него по фазе на угол, близкий к нулю.

Трансформатор тока — трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику тока.

Измерительный трансформатор тока — трансформатор, предназначенный для преобразования тока до значения, удобного для измерения.

Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную обмотку включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке.

Трансформаторы тока широко используются для измерения электрического тока и в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем.

Трансформаторы тока обеспечивают безопасность измерений, изолируя измерительные цепи от первичной цепи с высоким напряжением, часто составляющим сотни киловольт.

К трансформаторам тока предъявляются высокие требования по точности. Как правило, трансформатор тока выполняют с двумя и более группами вторичных обмоток: одна используется для подключения устройств защиты, другая, более точная — для подключения средств учёта и измерения

Справка. Вторичные обмотки трансформатора тока (не менее одной на каждый магнитопровод) обязательно нагружаются. Сопротивление нагрузки строго регламентировано требованиями к точности коэффициента трансформации. Незначительное отклонение сопротивления вторичной цепи от номинала (указанного на табличке) по модулю полного Z или cos φ (обычно cos = 0.8) приводит к изменению погрешности преобразования. При этом происходит ухудшение измерительных качеств трансформатора. Значительное увеличение сопротивления нагрузки создает высокое напряжение во вторичной обмотке, достаточное для пробоя изоляции трансформатора, что приводит к выходу трансформатора из строя, а также создает угрозу жизни обслуживающего персонала. Кроме того, из-за возрастающих потерь в сердечнике магнитопровод трансформатора начинает перегреваться, что так же может привести к повреждению (или, как минимум, к износу) изоляции и дальнейшему её пробою.

Коэффициент трансформации измерительных трансформаторов тока является их основной характеристикой. Номинальный (идеальный) коэффициент указывается на шильдике трансформатора в виде отношения номинального тока первичной (первичных) обмоток к номинальному току вторичной (вторичных) обмоток, например, 100/5 А или 10-15-50-100/5 А (для первичных обмоток с несколькими секциями витков). При этом реальный коэффициент трансформации несколько отличается от номинального значения. Это отличие характеризуется величиной погрешности преобразования, состоящей из двух составляющих - синфазной и квадратурной. Первая характеризует отклонение по величине, вторая отклонение по фазе вторичного тока реального от номинального. Эти величины регламентированы ГОСТ и служат основой для присвоения трансформаторам тока классов точности при проектировании и изготовлении. Поскольку в магнитных системах имеют место потери связанные с намагничиванием и нагревом магнитопровода, вторичный ток оказывается меньше номинального (т.е. погрешность отрицательная) у всех трансформаторов тока. В связи с этим для улучшения характеристик и внесения положительного смещения в погрешность преобразования применяют витковую коррекцию. А это означает, что коэффициент трансформации у таких откорректированных трансформаторов не соответствует привычной формуле соотношений витков первичной и вторичной обмоток.

Трансформатор напряжения — трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение - преобразования и гальваническая развязка высокого напряжения в низкое в измерительных цепях. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.

Справка. Виды трансформаторов напряжения:

Заземляемый трансформатор напряжения — однофазный трансформатор напряжения, один конец первичной обмотки которого должен быть наглухо заземлён, или трёхфазный трансформатор напряжения, нейтраль первичной обмотки которого должна быть наглухо заземлена.

Незаземляемый трансформатор напряжения — трансформатор напряжения, у которого все части первичной обмотки, включая зажимы, изолированы от земли до уровня, соответствующего классу напряжения.

Каскадный трансформатор напряжения — трансформатор напряжения, первичная обмотка которого разделена на несколько последовательно соединённых секций, передача мощности от которых к вторичным обмоткам осуществляется при помощи связующих и выравнивающих обмоток.

Ёмкостный трансформатор напряжения — трансформатор напряжения, содержащий ёмкостный делитель.

Двухобмоточный трансформатор — трансформатор напряжения, имеющий одну вторичную обмотку напряжения.

Трёхобмоточный трансформатор напряжения — трансформатор напряжения, имеющий две вторичные обмотки: основную и дополнительную

Номинальный вторичный ток для трансформатора тока (ТТ) составляет 1 или 5 А.

Номинальное вторичное напряжение трансформатора напряжения составляет 100 В.

Устройства релейной защиты, как правило, присоединяются к тем же трансформаторам тока и напряжения, к которым присоединяются измерительные приборы.

Снижение напряжения во время КЗ не приводит к возрастанию погрешностей ТН. Увеличение тока при КЗ вызывает увеличение погрешностей ТТ. Чтобы исключить неверные действия РЗ, ТТ проверяются на допустимую погрешность при КЗ.

Наряду с ТТ и ТН в качестве датчиков сигналов для РЗ применяются трансреакторы.

Трансреактор - трансформатор тока с магнитопроводом, имеющим воздушный зазор.

Ток, проходящий по первичной цепи, обусловливает напряжение на зажимах ветви намагничивания схемы замещения. Таким образом, на зажимах вторичной нагрузки возникает напряжение, пропорциональное току в первичной цепи. Трансреакторы устанавливаются в устройствах защиты, когда требуется производить электрически сложение векторов тока и напряжения или когда требуется во вторичной цепи устройств защиты и автоматики иметь малое сечение соединительных проводов.

Трансреакторы работают в режиме, близком к режиму холостого хода. Угол между током в первичной обмотке и ЭДС вторичной обмотки близок к 90⁰.

Трансформаторы тока и трансреакторы для установок с напряжением 500 кВ и выше достаточно сложны и имеют значительные погрешности. При таких высоких напряжениях используются преобразователи токов магнитного типа. «Магнитные» трансформаторы тока используют индуктивную связь между первичными и вторичными цепями.

Основной особенностью такого трансформатора тока является наличие П-образного ферромагнитного сердечника, на котором размещены вторичные обмотки. Сердечник устанавливают под проводом той фазы, ток в которой необходимо контролировать. Магнитный поток, создаваемый в сердечнике током контролируемой фазы, создает во вторичной обмотке ЭДС, которая пропорциональна току и используется в качестве сигналов для цепей защиты. Такие преобразователи просты и экономичны, но имеют ряд недостатков:

- малая мощность вторичной цепи;

- влияние на ЭДС вторичной цепи токов в других фазах.

Для устранения этих недостатков могут применяться усилители и различные защиты от помех.

Другими типами преобразователей первичного тока (напряжения) во вторичные сигналы являются устройства, преобразующие первичные сигналы в радиосигналы или световые сигналы. Приемник принимает эти сигналы и преобразовывает их обратно в ток или напряжение, используемые для входных цепей РЗ.

2. УСЛОВИЯ РАБОТЫ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА

1. Условия работы трансформаторов тока

Принципиальная схема трансформатора тока и его схема замещения представлены на рис. 4.

а) б)

Рис. 4. а) принципиальная схема трансформатора тока; б) схема замещения трансформатора тока.

Первичная обмотка с числом витков W₁ включена последовательно в цепь контролируемого тока I_1. К вторичной обмотке с числом витков W₂ подключено сопротивление нагрузки Zн. Сопротивление нагрузки составляет сумма сопротивлений последовательно включенных обмоток реле, сопротивлений измерительных приборов и соединительных проводов.

Согласно закону полного тока:

I₁W₁ – I₂W₂ = I_μW₁ = F_μ,

где I_μ – намагничивающий ток; F_μ - результирующая магнитодвижущая сила.

Левую и правую части уравнения полного тока разделим на W₂ и получим:

I₁W₁/ W₂ – I₂W₂ / W₂ = I_μW₁/ W₂ или I₁W₁/ W₂ – I₂ = I_μW₁/ W₂.

Введем обозначения:

I₁W₁/ W₂ = I₁^'; I_μW₁/ W₂ = I_μ^'.

С учетом обозначений уравнение полного тока примет вид:

I₁^' = I₂ + I_μ^'.

Данному уравнению соответствует схема замещения, представленная на рис. 4 б). Сопротивление первичной обмотки Z₁^' и сопротивление ветви намагничивания Z_μ^' также приведены ко вторичной обмотке.

На основании схемы замещения строим векторную диаграмму (рис. 5).

Рис. 5. Векторная диаграмма схемы замещения

Ток намагничивания I_μ^'создает результирующий магнитный поток Ф. Вектор магнитного потока отстает от вектора тока на угол γ, что объясняется потерями в стали. Магнитный поток наводит ЭДС Е₂. Ток I₂ отстает от Е₂ на угол ψ, определяемый соотношением активной и реактивной составляющих сопротивлений Z₂ и Z_н.

Из диаграммы видно, что вторичный ток отличается от приведенного первичного по абсолютному значению на токовую погрешность ΔI.

ΔI = I₁^'- I₂

Ток I₂ отстает от тока I₁^'на угол δ, называемый угловой погрешностью.

Относительная токовая погрешность трансформатора, %:

f_i= (ΔI / I₁^' )·100 = (I₁- I₂К_т) ·100/ I₁^',

где Кт = W₂/ W₁ – витковый коэффициент трансформации.

Полная погрешность ε трансформатора тока определяется по формуле:

ε = (I_μ / I₁) ·100%.

Идеальным является трансформатор, у которого ток намагничивания отсутствует, т.е. I_μ = 0. При выполнении этого условия I₂ = I₁/Кт.

Как видно из анализа схемы замещения, чем меньше величина сопротивления нагрузки Z_н, тем больше величина тока I₂ и тем меньше величина тока I_μ. По этому наиболее благоприятным для работы трансформатора тока является режим минимального сопротивления цепи нагрузки, т.е. режим КЗ. И, наоборот, при увеличении сопротивления цепи нагрузки величина тока намагничивания I_μ увеличивается и погрешность ε трансформатора тока резко возрастает. При размыкании цепи намагничивания I_μ = I₁. Погрешность ε = (I_μ / I₁) ·100% = 100%. На разомкнутой вторичной обмотке возникают напряжения в несколько тысяч вольт, что опасно для людей и оборудования измерительной цепи.

Точность преобразования первичного тока в пропорциональный ему вторичный ток зависит не только от сопротивления нагрузки, но и от значения первичного тока. При увеличении тока I₁ до величины тока насыщения I_нас происходит насыщение сердечника трансформатора. Это ведет к нарушению пропорциональности между значениями I₁ и I₂ (рис. 6).

Рис. 6. Диаграмма токов

Величина ΔI определяет токовую погрешность измерений при токе в первичной обмотке I_s. Рост токовой погрешности ведет к тому, что релейная защита получает не точную информацию о режиме работы защищаемого объекта. Это вызывает либо излишнее срабатывание, либо отказ срабатывания защиты. Для нормальной работы защиты токовая погрешность не должна превышать 10%, а угловая погрешность не должна превышать 7⁰. Эти условия соблюдаются, если полная погрешность ε не превышает 10%.

Для оценки предельной величины первичного тока используется понятие предельной кратности тока К₁₀.

К₁₀ = I_1max / I_1ном,

где I_1max - максимальное значение тока первичной обмотки, при котором полная погрешность трансформатора тока ε при данной нагрузке Z_н, не превышает 10%.

Наряду с величиной К₁₀ используется понятие предельной номинальной кратности тока К_10ном. Это предельная кратность тока при номинальной нагрузке Z_{н ном} с cos φ = 0,8.

Типовая зависимость предельной кратности тока К_10ном от величины сопротивления нагрузки Z_н представлена на рис. 7.

Рис. 7. Типовая зависимость К₁₀ = f(Z_н)

Заводы изготовители трансформаторов тока в паспортных данных указывают значения Z_{н ном} и К_10ном, а также приводят кривые вида К₁₀ = f(Z_н).

К трансформаторам тока предъявляются 3 основных требования:

1. Для предотвращения излишних срабатываний релейной защиты на КЗ вне защищаемой зоны полная токовая погрешность трансформатора тока не должна превышать 10%.

2. Для предотвращения отказов защиты при КЗ в начале защищаемой зоны токовая погрешность трансформатора тока не должна превышать величины, допустимой для данного типа реле – по условиям повышенной вибрации контактов и по условиям величины угловой погрешности.

3. Напряжение на выводах вторичной обмотки трансформатора тока при КЗ в защищаемой зоне не должно превышать значений, допустимых для устройств релейной защиты по условиям прочности изоляции вторичных цепей.

Для проверки трансформатора на условие 10% погрешности необходимо выполнить расчет величины I_1max при КЗ в конце защищаемой зоны и определить величину сопротивления Z_н вторичной цепи трансформатора.

В зависимости от схемы соединения и вида КЗ (однофазное, двухфазное, трехфазное) величина Z_н определяется по таблицам из справочников.

При однофазном КЗ для схемы Рис. 8 величина сопротивления вторичной цепи трансформатора определяется по формуле:

Z_н = r_пр + z_рф + z_р0 + r_пер,

где r_пр - сопротивление соединительных проводов; z_рф - сопротивление всех реле в данной фазе; z_р0 - сопротивление реле в нулевом проводе; r_пер - переходное сопротивление контактов (0,1 Ом).

Сопротивление реле определяется по формуле:

z_р = S/I²,

где S – потребляемая мощность реле; I - ток реле, при заданной потребляемой мощности.

Сопротивление Z_н вычисляют для наиболее нагруженной фазы и для того вида КЗ, при котором это сопротивление оказывается наибольшим.

Затем вычисляют величину предельной кратности тока К₁₀.

Определенные величины Z_н и К₁₀ сравнивают с паспортными данными. Если соблюдаются условия Z_н ≤ Z_{н, ном} и К₁₀ ≤ К_{10, ном}, то погрешность трансформатора тока не превысит 10%. Если эти условия не выполняются, то необходимо или уменьшить величину Z_н или выбрать трансформатор с другим значением I_1ном.

Рис. 8. Схема соединения нагрузки вторичной цепи

При КЗ в месте установки защиты первичные токи трансформаторов тока могут быть на много больше тока I_нас, при котором происходит насыщение сердечника (рис. 6). Если ток в первичной обмотке больше тока I_s, то токовая погрешность будет больше 10%. В этом случае могут быть случаи отказов срабатывания реле. При токовой погрешности более 50% у электромагнитных реле может возникать вибрация контактов. Для максимальных токовых защит и токовых отсечек с реле РТ-40 для полупроводниковых реле и для дистанционных защит с индукционными реле максимальная токовая погрешность не должна превышать 50%. Реле на интегральных микросхемах типа РСТ11 могут работать при токовых погрешностях 80 … 90%.

Погрешность трансформатора тока при КЗ в начале защищаемой зоны определяется следующим образом. В зависимости от схемы включения и вида КЗ вычисляют величину нагрузки Z_н. По кривым К₁₀ = f(Z_н) определяют предельную кратность тока К₁₀. Вычисляют величину тока I_1max, при данном КЗ, и определяют соответствующее ему значение кратности тока К_max = I_1max / I_1ном. Исходя из применяемого типа реле, задаются максимально допустимой токовой погрешностью f%. По справочникам для данного типа реле находят значение коэффициента А (рис.9) и проверяют выполнение условия:

А· К₁₀ ≤ К_max.

Если это условие выполняется, то токовая погрешность не превысит предельно допустимого для данного случая значения. Если условие не выполняется, то необходимо или уменьшить величину Z_н или выбрать трансформатор с другим значением I_1ном или выбрать другой тип трансформатора.

Рис. 9. Зависимость токовой погрешности от коэффициента А

Еще одну проверку проводят по величине максимального значения напряжения во вторичной цепи трансформатора тока U_2m, возникающего при максимальном значении первичного тока I_1max в случае КЗ в месте установки защиты:

U_2m = k_у I_1max Z_н/ К_т,

где = 1,8 – ударный коэффициент тока КЗ.

Должно выполняться условие U_2m ≤ U_исп,

где U_исп = 1000 В – испытательное напряжение для изоляции токовых цепей.

2. Схемы включения трансформаторов тока

Наиболее распространена схема соединений трансформатора тока и обмоток реле (КА) в звезду (рис. 10). Также применяются схемы соединения в неполную звезду, в звезду и треугольник, в геометрическую разность токов двух фаз.

Рис. 10. Схема соединения трансформатора тока и обмоток реле

Такая схема применяется для защит от всех видов однофазных и многофазных КЗ. В нулевом проводе n ток протекает только при КЗ на землю, если схема имеет заземленную нейтраль, а также в случае обрыва во вторичной цепи одной из фаз. Все вторичные обмотки трансформаторов тока по условиям электробезопасности должны быть заземлены. Коэффициент схемы (отношение тока в реле к вторичному току трансформатора той же фазы) k_сх = 1.

При разных видах КЗ (трехфазные, двухфазные, однофазные) через реле, установленные в разных фазах, протекают разные по величине токи. Условия срабатывания защиты определяются тем из вторичных токов, который при данном КЗ является наибольшим. Для реле этот наибольший ток называется током реле I_р и является расчетным.

Для каждой схемы включения имеются свои формулы для определения тока реле Iр. В случае рассмотренной схемы соединения звездой используются формулы:

- при трехфазных КЗ и симметричные режимы: I_р = I⁽³⁾_к/К_т;

- при двухфазных КЗ в месте установки защиты: I_р = I⁽²⁾_к/К_т = I⁽³⁾_к/(2К_т);

- при двухфазных КЗ за трансформатором тока: I_р = 2I⁽²⁾_к/(К_т) = I⁽³⁾_к/К_т.

В последнем случае k_сх = 2/.