3.4. Выбор трансформаторов тока и допустимой вторичной нагрузки

С учетом тока нагрузки защищаемого элемента, его рабочего напряжения и вида РЗ выбирают тип ТТ и его номинальный коэффициент трансформации, после чего проводят проверку на термическую и динамическую стойкость. Выбранные таким образом ТТ проверяют на точность и надежность работы питающейся от них Р3, исходя из следующих требований ПУЭ:

1) обеспечения точности работы измерительных органов РЗ при КЗ в расчетных точках электрической сети, выбираемых в зависимости от типа РЗ, при этом полная погрешность ТТ е не должна превышать 10%;

2) предотвращения отказа срабатывания РЗ при наибольших значениях тока КЗ в начале участка, защищаемого РЗ, вследствие чрезмерного увеличения погрешности ТТ и искажения формы кривой вторичного тока, могущей вызвать вибрацию контактов у электромеханических реле, снижение чувствительности и быстродействия у полупроводниковых реле под влиянием высших гармоник;

3) ограничения напряжения во вторичных цепях ТТ и РЗ до допустимых значений при I_{K MAX}.

Для выполнения первого требования, как правило, выбирается ТТ класса Р с коэффициентом трансформации, обеспечивающим необходимую кратность тока при КЗ в требуемой для рассматриваемой РЗ точке сети. Лля выбора допустимой нагрузки при заданной кратности К_РАСЧ=I_К.РАСЧ/I_1ТТи полной погрешности ТТ ε ≤ 10% используются кривые предельной кратности, построенные по заводским данным, или характеристики намагничивания, снятые при разомкнутой первичной обмотке – вольт-амперные характеристикиU₂=f(I_HAM).

Выбор Z_Hпо кривым предельной кратности К_{1 0}=f(Z_H). Этот метод является самым простым и им следует пользоваться как основным методом расчета требуемой точности работы ТТ класса Р:

а) рассчитывают значение максимального первичного тока КЗ I_1РАСЧMAX, при котором для рассматриваемой РЗ погрешность а не должна превышать 10%;

б) вычисляют максимальную кратность найденного первичного тока I_1РАСЧMAXпо формуле

(3.11)

в) по заводской характеристике К_{1 0}=f(Z_H) для данного типа ТТ и принятого коэффициента трансформации К_IопределяютZ_H.ДОПдля К_{РАСЧ.МАХ};

г) определяют действительное сопротивление нагрузки Z_Hс учетом сопротивления проводов и реле и проверяют выполнение условияZ_H≤Z_H.ДОП. Если окажется, чтоZ_H>Z_H.ДОП, то необходимо или увеличить коэффициент трансформации К_IТТ, или выбрать ТТ, у которого приK_{РАСЧМАХ}допускается большее значениеZ_H.ДОП, или уменьшитьZ_H (за счет увеличения сечения жил соединительного кабеля или сокращения его трассы), либо принять ТТ с вторичным номинальным током 1 А.

Выбор Z_H по вольт-амперным характеристикам ТТ U₂ = f(I_2HAM).При отсутствии сведений о погрешности ТТ его пригодность для данной РЗ и допустимую нагрузку вторичной цепиZ_Hможно приближенно оценить по характеристике зависимости вторичного тока намагничиванияI_2HAMот вторичного напряженияU₂. Характеристику снимают опытным путем по схеме, приведенной на рис. 3.7,а. Меняя напряжениеU₂на зажимах вторичной обмотки, измеряют соответствующий каждому значениюU₂токI_HAMво вторичной обмотке, который являетсяI_HAM, поскольку первичная обмотка разомкнута. На основании полученных данных строится зависимостьU₂=f(I_2HAM) (рис. 3.7, б).

Вследствие малого значения сопротивления вторичной обмотки Z₂принимается, чтоU₂≈E₂и тогда полученная характеристика может рассматриваться как зависимостьE₂=f(I_2HAM).

На основании этой характеристики можно определить значения Е₂иI_2HAM, при которых наступает насыщение (по точке Н – конец прямолинейной части), и, пользуясь формулой (3.9а), вычислить допустимую нагрузкуZ_H.ДОПпри заданном токе КЗI₂=I₁/K_I. Погрешность ε = I_2HAM.Н /I₂ %. Этот метод может применяться для проверки погрешности ТТ, имеющих малое сопротивлениеR₂по сравнению сZ_H.

Для выполнения второго условия используется зависимость параметра А от токовой погрешности ТТ А = f(f_i) . Начнем с рассмотрения поведения ТТ при кратностях первичного тока в насыщенной части характеристики намагничивания.

Работа ТТ в режиме глубокого насыщения.При КЗ в начале защищаемой зоны РЗ кратность первичных токов, проходящих через ТТ защищаемых элементов, может оказаться очень большой. В этих условиях ТТ могут работать в режиме глубокого насыщения, который характеризуется двумя особенностями: резким увеличением тока намагничивани ТТ с соответствующим ростом погрешностей (ε иf_i) до 20% более и значительным искажением формы кривой вторичного токаI₂, в составе которого наряду с основной появляются и высшие гармоники. При этом как электромеханические, так и статические ИО, реагирующие на ток, могут отказать в работе: первые – из-за вибрации контактов, вторые – из-за изменения характеристик срабатывания реле. Чем больше значение погрешности ТТ (ε иf_i), тем больше искажается форма кривых токовI₂иI_2HAM. Проверка надежности действия ИО при глубоком насыщении ТТ сводится к определению значения тоновой погрешности при максимальной кратности тока КЗK_MAX=I_{K MAX}/I_{HOM TT}в случае повреждения в начале защищаемого участка. Это значениеf_iне должно превосходить предельно допустимого, при котором еще обеспечивается правильная работа рассматриваемого ИО.

Расчет погрешностей ТТ, работающих в режиме насыщения, методом эквивалентных синусоид, при резком искажении синусоид токов I₂иI_2HAM, дает преувеличенные значения погрешностиf_i, а значение допустимой нагрузки случается меньше реального значения.

Более точным и простым способом расчета погрешностей насыщенного ТТ является способ, основанный на замене (аппроксимации) действительной характеристики намагничивания (рис. 3.8, а) прямоугольной характеристикой намагничивания (ПХН). При мгновенных значениях индукции В_t< В_S, при которой наступает глубокое насыщение магнитопровода, характеристика намагничивания представляется в виде вертикальной прямой (рис. 3.8, а). При этомI_HAM= 0 и, – работа ТТ считается идеальной.

При В_t> В_Sмагнитопровод ТТ насыщается, и дальнейшее изменение В, прекращается независимо от значенияI_HAM. Характеристика намагничивания насыщенного ТТ изображается прямой линией, параллельной оси абсцисс, мало отличаясь от действительной характеристики намагничивания на ее участке за точкой перегиба (точка Н) (рис. 3.7). Схема замещения, характеризующая работу ТТ с ПXН, показана на рис. 3.8, б. Ветвь намагничивания, соответствующая вертикальной прямой ПXН, должна иметь бесконечно большое сопротивлениеX_HAM= ∞ посколькуI_HAM= 0, а при работе на горизонтальном участке ПXНX_HAMскачкообразно уменьшается до нуля. При этомe₂= 0,. Поэтому ветвь намагничивания в схеме замещения заменяется рубильникомS(рис. 3.8, б). При работе ТТ в вертикальной части характеристики рубильник разомкнут (I_HAM= 0), а в горизонтальной – замкнут (X_HAM= 0).

Кривые мгновенных значений (i₁,i₂, i_HAM), напряжения (u₂) и магнитной индукции (В) приведены на рис. 3.9. Первичный токi₁определяется параметрами сети и имеет форму синусоиды. Вторичный токi₂на участках А совпадает сi₁пока В_t< В_S. В момент времениt₁индукция В_tдостигает значения В_S(насыщения), рубильникSв схеме замещения (рис. 3.8, б) замыкается, ,i₂→ 0. Токi₂затухает по экспоненциальному закону с постоянной времени вторичной цепи τ =L₂/R₂. В момент времениt₂(когда В_t< В_S) магнитопровод ненасыщен, и токi₂снова равен. В следующем полупериоде процесс повторяется. Методика на основе ПXН позволяет определить формы кривыхI₂иI_HAMи найти значениеI₁ при котором наступает насыщение (моментt₁) и значениеI_HAM, при заданном значенииI_1MAX.

Для упрощения расчета погрешностей ТТ вводится коэффициент А, являющийся обобщенным параметром, определяющим при ε = 10% = соnstи соsφ = 0,8 значение токовой погрешности. Зависимостьf_i=F(А) приведена на рис. 3.10. Она построена с использованием обобщенных характеристик f_i=F^’(I_1УД), полученных экспериментально на модели ТТ с магнитопроводом из одинакового сорта стали, с одинаковыми удельными параметрами. Поэтому характеристика, приведенная на рис. 3.10, справедлива для всех типов однокаскадных ТТ отечественного производства. Коэффициент А выражается в виде отношения максимального первичного токаI_MAX, для которого ищется значениеf_i, к первичному токуI_{РАСЧ1 0}, определенному по кривым предельной кратности для заданной нагрузкиZ_Hпри ε = 10%, соsφ = 0,8; А =I_1MAX/I_{РАСЧ1 0}, или в виде отношения кратностей этих токов: А =K_1MAX/K_{РАСЧ1 0}.

Пользуясь зависимостью f_i=F(А), можно по заданному значениюK_1MAXнаходить значениеf_iили по заданномуf_iопределять значениеK_1MAX. В обоих случаях для определения значенияK_{РАСЧ1 0}необходимо иметь кривые предельной кратности К_{1 0}=f(Z_H.ДОП). Для реле разных типов допустимы разные значенияf_iДОПпри работе ТТ в условиях глубокого насыщения: 50% – для РТ-40, РТ-80 и РТ-90, направленных РС (индукционные и полупроводниковые с нуль-индикатором на магнито- электрическом реле); 40% – для РТ-40 (выпуск до 1969 г.) и РБМ с жесткими упорами и т.д.

При известном f_iДОПдля конкретных реле и устройств РЗ из рис. 3.10 определяется А и вычисляется отношение К_MAX/A. Если К_MAX/A> К_РАСЧ, то в качестве расчетной кратности принимается К_РАСЧ= К_MAX/A.

Если К_MAX/A< К_РАСЧ, то в качестве расчетной сохраняется кратность К_РАСЧ.