2 Трансреакторы и фазоповоротные схемы

2.1 Назначение, устройство и принцип действия трансреактора

Кроме широко применяемых измерительных преобразователей тока и напряжения (ТТ, ТН) в устройствах РЗиА часто возникает необходимость иметь элементы, которые могли бы преобразовать вторичный ток измерительного ТТ в пропорциональное ему напряжение. Эта необходимость диктуется рядом причин:

а) всё более широкое применение в устройствах РЗ полупроводниковых токовых реле требует применения трансреактора, который преобразует вторичный ток ТТ в напряжение, управляющее работой электронной схемы измерительного органа релейной защиты;

б) в некоторых измерительных органах РЗ (реле сопротивления, дифференциальные реле) для управления электронной схемой используется выработанное трансреактором напряжение, пропорциональное не одному фазному вторичному току, а геометрической сумме (или разности) вторичных токов, т.е. U_TAV = K ∙ (I_a + I_в) или U_TAV = K ∙ (I_a - I_в); в этом случае трансреактор выполняет две функции, - суммирование и преобразование;

в) в отдельных реле (реле сопротивления, некоторые фильтровые реле) трансреактор применяется для получения необходимого угла сдвига фаз между напряжением на его выходе и суммарным (разностным) входным током;

г) в отдельных реле (ДЗТ-21) трансреактор одновременно выполняет три функции: - суммирование, преобразование тока в напряжение и дифференцирование дифференциального тока ; последнее необходимо для улучшения функционирования дифференциального реле.

Рисунок 2.1 Структурная схема преобразования вторичного тока трансформатора тока в напряжение U_{2 TAV}

В общем случае трансреактор (ТАV) представляет собой трансформатор с воздушным (немагнитным) зазором в магнитопроводе.

Первичная обмотка трансреактора W₁ включается во вторичную цепь измерительного ТТ. Вторичная обмотка трансреактора W₂ замыкается на достаточно большое (до нескольких сотен Ом) сопротивление нагрузки Z_н, благодаря чему трансреактор работает в режиме, близком к ХХ.

/Входное сопротивление измерительного органа велико, - R_{вх Ио} > Z_н, поэтому входная цепь измерительного органа не оказывает заметного шунтирующего действия на Z_н/

Вторичный ток трансреактора невелик, - он ограничивается большим сопротивлением Z_н. Поэтому почти вся магнитодвижущая сила (МДС) первичной обмотки F₁ = I_2TA∙W₁ идёт на создание тока намагничивания.

(2.1)

Магнитный поток Ф_нам наводит во вторичной обмотке W₂ ЭДС Е₂, действующее значение которой определяется выражением

где(2.2)

- коэффициент преобразования трансреактора. Размерность К_Пр – Ом.

Если пренебречь падением напряжения на активном и реактивном сопротивлениях вторичной обмотки трансреактора (т.к. Z₂ < Z_н), можно считать, что выходное напряжение TAV U_{2 TAV} близко по величине к Е₂ и совпадает с ним по фазе. Из выражения (2.2) следует, что ЭДС Е₂ , а значит и U_{2 TAV} пропорциональны току I_{2 TA}, поступающему со вторичной обмотки ТТ, т.е.

U₂ ≈ Е₂ ≈ К_Пр ∙ I_{2 ТА}.

Согласно закону электромагнитной индукции наведённая ЭДС Е₂ отстаёт от индуктирующего её потока Ф_нам на угол, близкий к 90º.

Следовательно, и выходное напряжение TAV U_{2, TAV} отстаёт от входного тока I_{2, ТА} на тот же угол. Это обстоятельство в некоторых релейных защитах требует принятия дополнительных мер для компенсации (или регулирования) фазового сдвига выходного напряжения U_{2, TAV} относительно входного тока, вносимого трансреактором. Так в статических реле направления мощности (РМ-11, РМ-12) применяются фазоповоротные схемы,

Рисунок 2.2 Упрощённая векторная диаграмма трансреактора

которые нужным образом корректируют фазовые соотношения U_{2, TAV} и I_{2, ТА}. В других реле (например, в реле сопротивления КРС-2) параметры вторичной цепи трансреактора рассчитываются и подбираются такими, при которых угол сдвига фаз между U_{2, TAV} и I_{2, ТА} составляет либо 80º, либо 65º. В иных реле (токовых статических) такая коррекция необязательна.

Благодаря наличию воздушного зазора в сердечнике магнитное сопротивление R_µ магнитопровода имеет повышенное значение по сравнению с R_µ сердечника ТТ и определяется в основном сопротивлением зазора. Наличие немагнитного зазора в сердечнике уменьшает магнитный поток намагничивания Ф_нам, ограничивает насыщение сердечника и обеспечивает линейное изменение магнитной индукции в сердечнике.

Рисунок 2.3 Характеристики намагничивания магнитопровода трансреактора без

воздушного зазора в сердечнике - ; магнитопровода трансреактора с воздушным зазором в сердечнике -

При отсутствии насыщения сердечника TAV коэффициент преобразования К_Пр в выражении (2.2) постоянен (К_Пр ≈const) и, как следствие этого, зависимость величины U_{2, TAV} от тока I_{2, ТА} имеет линейный характер.

Рисунок 2.4 Вольт-амперная характеристика ТАV

Значение К_Пр трансреактора определяется:

- взаимоиндукцией первичной и вторичной обмоток (числами витков W₁ и W₂, конструкцией обмоток, взаимным расположением);

- частотой токов, проходящих по обмоткам W₁ и W₂;

- магнитным сопротивлением сердечника ТАV.

В свою очередь R_µ во многом определяется величиной немагнитного зазора, который можно изменять (регулировать) в некоторых пределах. Регулировка взаимоиндукции и магнитного сопротивления сердечника производится на заводе-изготовителе.

Значение выходного напряжения трансреактора U_{2, TAV} определяется величиной К_Пр и значением вторичного тока ТАV I₂, проходящего через Z_н. При неизменном значении К_Пр и неизменном сопротивлении Z_н вторичный ток трансреактора линейно-пропорционально зависит от тока I_{2, ТА}, проходящего по обмотке W₁. Следовательно, выходное напряжение трансреактора U_{2, TAV} также пропорционально зависит от значения тока I₁, проходящего по первичной цепи защищаемого элемента. В этом заключается суть преобразования трансреактором совместно с измерительным ТТ первичного тока I₁ (сотни-тысячи ампер) защищаемого элемента в выходное напряжение U_{2, TAV} (единицы-десятки вольт),которое подаётся на входные зажимы измерительного органа (например, токового статического реле) для сравнения с уставкой срабатывания реле.

С учётом того, что напряжение U_{2, TAV} сдвинуто по фазе относительно входного тока I_{2, ТА} на угол, близкий к 90º, коэффициент преобразования трансреактора может рассматриваться как некоторое реактивное сопротивление (рисунок 2.5). В приведённой схеме замещения трансреактора напряжениеU_{2, TAV} отстаёт от входного тока I_{2, ТА} на угол, близкий к 90º.

Рисунок 2.5

Таким образом, трансреактор эквивалентен реактивному элементу с сопротивлением ≈ К_Пр, включённому в цепь тока I_{2, ТА}. Этим объясняется его название - трансформаторный реактор.

Трансреактор можно рассматривать как элемент, производящий дифференцирование входного тока i_{2, ТА} по времени , т.е.

(2.3)

Рассмотрим несколько примеров.

1 Пусть i_2,TA = I_{2, ТА,m} ∙ sin ωt

Тогда мгновенное значение выходного напряжения U_{2, TAV} определяется выражением

Рисунок 2.6 а)

Следует отметить, что мгновенное значение напряжения на выходе

ТАV пропорционально не только входному току I_{2, ТА,m} но и скорости его изменения, о чём свидетельствует наличие в приведённом выше выражении ω = 2πf.

2 Пустьi_вх = const

Тогда

рисунок 26,б)

Рисунок 2.6 б)

3 Пусть i_вх = I_o + K∙ I ∙ t, т.е. входной ток линейно нарастает во времени от некоторого начального значения I_o.

Тогда

рисунок 26, в)

Рисунок 2.6 в)