Условия работы трансформаторов тока в схемах РЗА. Методика выбора ТТ для питания схем РЗА. 10% кратность. Фильтры симметричных составляющих тока.

Ответ:Трансформаторы тока служат для разделения (изоляции) первичных и вторичных цепей, а также для приведения величины тока к уровню, удобному для измерения (номинальный ток вторичной обмотки ТТ равен 1 или 5 А). Номинальные токи первичной обмотки ТТ могут быть: 5, 10, 15, 30, 50, 75, 100, 150, 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000 А.

Трансформаторы тока предназначены для питания:

– измерительных приборов (амперметров, токовых обмоток счетчиков, ваттметров и др.);

– цепей релейной защиты и автоматики.

Схема включения ТТ ТA показана на рис. 3.7, а. Трансформатор тока состоит из стального сердечникаи двух обмоток: первичной – с числом витков и вторичной – с числом витков . Часто ТТ изготавливаются с двумя и более сердечниками (кернами). В таких конструкциях первичная обмотка является общей для всех сердечников (рис. 3.7, б). Первичная обмотка имеет один или несколько витков и включается последовательно в цепь того элемента, в котором производится измерение тока или подключаются устройства РЗА. К вторичным обмоткам, имеющим большое число витков, подключаются токовые цепи измерительных приборов и реле защиты.

а)

б) в) г)

Рис. 3.7. Схемы включения ТТ (а) и векторные диаграммы токов (б–г)

Для правильного соединения ТТ между собой и подключения к ним реле мощности, ваттметров и счетчиков выводы обмоток ТТ обозначаются (маркируются) заводами-изготовителями следующим образом (рис. 3.7, а): начало первичной обмотки – Л₁, конец первичной обмотки – Л₂, начало вторичной обмотки – И₁, конец вторичной обмотки – И₂. При монтаже ТТ их располагают так, чтобы начала первичных обмоток Л₁ были обращены в сторону шин, а концы Л₂ – в сторону защищаемого оборудования.

При маркировке обмоток ТТ за начало вторичной обмотки И₁ принимается тот ее вывод, из которого ток выходит, если в этот момент в первичной обмотке ток проходит от начала Л₁ к концу Л₂, как показано на рис. 3.7, а. Таким образом, при включении реле КA по этому правилу ток в реле при включении его через ТТ сохраняет то же направление, что и при включении непосредственно в первичную цепь.

Ток, проходящий по первичной обмотке ТТ, называется первичным и обозначается , а ток во вторичной обмотке – вторичным и обозначается . Ток создает в сердечнике ТТ магнитный поток ,который индуктирует во вторичной обмотке вторичный ток , также создающий в сердечнике магнитный поток , но направленный противоположно магнитному потоку . Результирующий магнитный поток в сердечнике , согласно закону полного тока, равен

. (3.1)

Магнитный поток зависит от значения создающего его тока и от количества витков обмотки, по которой этот ток проходит. Произведение тока на число витков называется магнитодвижущей силой F и выражается в ампервитках. Поэтому выражение (3.1) можно заменить выражением

, (3.2)

где – ток намагничивания, являющийся частью первичного тока. Он обеспечивает результирующий магнитный поток в сердечнике.

Разделив все члены выражения (3.2) на , получим

. (3.3)

Поскольку при значениях первичного тока, близких к номинальному, ток намагничивания не превышает 0,5–2 % номинального тока, то в этих условиях можно с некоторым приближением считать . Тогда из выражения (3.3) следует:

. (3.4)

Отношение витков называется витковым коэффициентом трансформации ТТ.

Отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току называется номинальным коэффициентом трансформации:

. (3.5)

Номинальные коэффициенты трансформации указываются на щитках ТТ, а также на схемах в виде дроби, в числителе которой – номинальный первичный ток, а в знаменателе – номинальный вторичный ток, например, 600/5 или 1000/1. Определение вторичного тока по известному первичному току и наоборот производится по номинальному коэффициенту трансформации в соответствии с формулами: или .

В нормальном режиме ТТ, вторичная обмотка которых замкнута на малое сопротивление токовых обмоток приборов и реле, работают в режиме, близком к КЗ.

Из условий безопасности персонала при пробое изоляции между первичной и вторичной обмотками вторичные обмотки ТТ должны быть заземлены. Заземление вторичных цепей ТТ выполняется в одной точке на ближайшей к ним клеммной сборке.

Погрешности трансформаторов тока. Коэффициент трансформации ТТ не является строго постоянной величиной и из-за погрешностей первичные и вторичные токи могут отличаться от номинальных значений. Погрешности ТТ зависят главным образом от кратности первичного тока по отношению к номинальному току первичной обмотки и от нагрузки, подключенной к вторичной обмотке. При увеличении нагрузки или тока вышеопределенных значений погрешность возрастает и ТТ переходит в другой класс точности.

Для измерительных приборов погрешность относится к зоне нагрузочных токов (0,2–1,2) . Эта погрешность именуется классом точности и может быть равна 0,2; 0,5; 1,0; 3,0.

Требования к работе ТТ, питающих РЗ, существенно отличаются от требований к ТТ, питающим измерительные приборы. Если ТТ, питающие измерительные приборы, должны работать точно в пределах своего класса при токах нагрузки, близких к номинальному току, то ТТ, питающие РЗ, должны работать с достаточной точностью при прохождении токов КЗ, значительно превышающих номинальный ток ТТ. Для цепей РЗ выпускаются ТТ класса Р или Д (для дифференциальных защит), в которых не нормируется погрешность при малых токах. В настоящее время выпускаются ТТ классов 10Р и 5Р, погрешность которых нормируется во всем диапазоне токов.

Согласно требованиям [1] ТТ, предназначенные для питания РЗА, должны иметь погрешность не более 10 %. Погрешности возникают вследствие того, что действительный процесс трансформации в ТТ происходит с затратой мощности, которая расходуется на создание в сердечнике магнитного потока, перемагничивание стали сердечника (гистерезис), потери от вихревых токов и нагрев обмоток.

а) б)

в) г)

Рис. 3.8. Схемы замещения ТТ (а, б), его векторная диаграмма (в)
и зависимость вторичного тока от кратности первичного тока (г):
и – сопротивления первичной и вторичной обмоток;
– сопротивление ветви намагничивания

Из электрической схемы замещения ТТ, приведенной на рис. 3.8, а, видно, что первичный ток , входящий в начало первичной обмотки , проходит по ее сопротивлению и разветвляется по двум параллельным ветвям. Основная часть тока, являющаяся вторичным током , замыкается через сопротивление вторичной обмотки и сопротивление нагрузки , состоящее из сопротивлений реле, приборов и соединительных проводов. Другая часть первичного тока замыкается через сопротивление ветви намагничивания и, следовательно, в реле, которое подключено к вторичной обмотке ТТ, не попадает. Поскольку из всех затрат мощности наибольшая часть приходится на создание магнитного потока в сердечнике, то ветвь через схемы замещения ТТ называется ветвью намагничивания, и ток, проходящий по этой ветви, называется током намагничивания .

Схема замещения показывает, что во вторичную обмотку ТТ поступает не весь трансформированный первичный ток, равный , а его часть, следовательно, процесс трансформации происходит с погрешностями.

Из схемы замещения ТТ видно, что сопротивление первичной обмотки не влияет на распределение тока между ветвью намагничивания и ветвью нагрузки , поэтому из схемы замещения (рис. 3.8, б), в соответствии с которой построена векторная диаграмма (рис. 3.8, в), оно исключено.

При размыкании цепи вторичной обмотки ТТ он превращается в повышающий трансформатор, резко возрастает ток намагничивания , и при достаточном уровне первичного тока индукция в сердечнике ТТ достигает насыщения. Вследствие насыщения сердечника ТТ при синусоидальном первичном токе магнитный поток в сердечнике будет иметь несинусоидальную форму. Поэтому ЭДС во вторичной обмотке, пропорциональная скорости изменения магнитного потока, будет очень велика и может превышать 1000 В, что опасно для обслуживающего персонала и для межвитковой изоляции ТТ.

Кроме появления опасного напряжения на разомкнутой вторичной обмотке, может иметь место повышенный нагрев стального сердечника из-за больших потерь в стали магнитопровода. Это может привести к повреждению изоляции и к увеличению погрешностей ТТ вследствие остаточного намагничивания сердечника. На точность работы ТТ влияет не только нагрузка, но и величина первичного тока. На рис. 3.8, г представлена зависимость вторичного тока от кратности первичного тока для некоторой постоянной нагрузки До точки перегиба (точка а) эта зависимость считается прямолинейной. Дальнейшее увеличение первичного тока из-за насыщения магнитопровода ТТ не приводит к росту вторичного тока, а ток намагничивания резко возрастает. Таким образом, точность ТТ с ростом кратности величины К ухудшается.

На рис. 3.8, в приведена упрощенная векторная диаграмма ТТ, из которой видно, что вектор вторичного тока меньше значения первичного тока, деленного на коэффициент трансформации на величину и сдвинут относительно него на угол Таким образом, соотношение значений первичного и вторичного токов в действительности имеет вид

(3.6)

Различают следующие виды погрешностей ТТ.

Токовая погрешность, или погрешность в коэффициенте трансформации определяется как арифметическая разность первичного тока, деленного на номинальный коэффициент трансформации и измеренного вторичного тока (отрезок на диаграмме рис. 3.8, в):

. (3.7)

Токовая погрешность вычисляется в процентах:

(3.8)

Угловая погрешностьопределяется как угол cдвига вектора вторичного тока относительно вектора первичного тока (рис. 3.8, в) и считается положительной, когда опережает .

Полная погрешность определяется как выраженное в процентах отношение действующего значения разности мгновенных значений первичного и вторичного токов к действующему значению первичного тока.

При синусоидальных первичном и вторичном токах . Из рассмотренного выше следует, что причиной возникновения погрешностей у ТТ является прохождение тока намагничивания, т. е. тока, который создает в сердечнике ТТ рабочий магнитный поток, обеспечивающий трансформацию первичного тока во вторичную обмотку. Чем меньше ток намагничивания, тем меньше погрешности ТТ.

Как видно из схемы замещения (рис. 3.8, а), ток намагничивания зависит от ЭДС и сопротивления ветви намагничивания .

Электродвижущая сила может быть определена как падение напряжения от тока в сопротивлении вторичной обмотки и в сопротивлении нагрузки :

. (3.9)

Сопротивление ветви намагничивания зависит от конструкции ТТ и качества стали сердечника. Это сопротивление не является постоянным и зависит от характеристики намагничивания стали. При насыщении стали сердечника ТТ резко уменьшается, что приводит к возрастанию и, как следствие, – к возрастанию погрешностей ТТ.

Таким образом, условиями, определяющими погрешности ТТ, являются: отношение, т. е. кратность первичного тока, проходящего через ТТ, к его номинальному току и величина нагрузки, подключенной к его вторичной обмотке.

Для увеличения допустимой вторичной нагрузки применяют ТТ с номинальным током вторичной обмотки 1 А вместо 5 А. Одноамперные ТТ могут нести нагрузку сопротивлением в 25раз больше, чем пятиамперные, имеющие такие же конструктивные параметры и тот же номинальный ток первичной обмотки. Конечно, потребляемая мощность аппаратуры при этом остается прежней, однако получается существенный выигрыш за счет возможности применения длинных кабелей с жилами меньшего сечения. По этой причине ТТ с вторичными токами 1 А нашли применение в основном на мощных подстанциях сверхвысокого напряжения, где требуется прокладывать длинные кабели для организации токовых цепей. В сетях напряжением 6–35 кВ, как правило, применяются пятиамперные ТТ, которые упрощают конструкцию за счет того, что требуется наматывать в 5 раз меньшее количество витков вторичной обмотки.

Схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов тока.В трехфазной сети для подключения реле и измерительных приборов вторичные обмотки ТТ соединяются в различные схемы. Наиболее распространенные из них приведены на рис. 3.9.

На рис. 3.9, а представлена схема соединения в полную звезду, которая применяется для включения защиты от всех видов КЗ. На рис. 3.9, б – схема соединения в неполную звезду, используемая для включения защиты от междуфазных КЗ в сетях с изолированной нейтралью. Нарис. 3.9, в – схема соединения в треугольник, используемая для получения разности фазных токов (например, для включения дифференциальной защиты трансформатора). На рис. 3.9, г – схема соединения на разность токов двух фаз (неполный треугольник), которая используется для включения защиты от междуфазных КЗ, так же как схема на рис. 3.9, б, и применяется для защиты электродвигателей. На рис. 3.9, д – схема соединения на сумму токов всех трех фаз (фильтр токов нулевой последовательности), используемая для включения защиты от однофазных КЗ на землю. На рис. 3.9, е приведена схема последовательного соединения двух ТТ, установленных на одной фазе. При таком соединении нагрузка, подключенная к ним, распределяется поровну, т. е. на каждом из них уменьшается в 2 раза. Происходит это потому, что ток в цепи, равный , остается неизменным, а напряжение, приходящееся на каждый ТТ, составляет половину общего. Рассмотренная схема применяется при использовании маломощных ТТ (например, встроенных в вводы выключателей и силовых трансформаторов). Коэффициент трансформации ТТ в такой схеме равен коэффициенту трансформации одного из них.

На рис. 3.9, ж показана схема параллельного соединения вторичных обмоток двух ТТ, установленных на одной фазе. Коэффициент трансформации данной схемы в 2 раза меньше коэффициента трансформации одного ТТ. Схема параллельного соединения используется для получения нестандартных коэффициентов трансформации. Например, для получения коэффициента трансформации 37,5/5 соединяют параллельно два стандартных ТТ с коэффициентом трансформации 75/5.

Отношение тока, проходящего через реле защиты к фазному току ТТ называется коэффициентом схемы . Для схем полной и неполной звезды (рис. 3.9, а, б) . Для полного и неполного треугольника (рис. 3.9, в, г) .

а) б)

в) г)

д) е) ж)

Рис. 3.9. Схемы соединения вторичных обмоток ТТ и реле: а – в полную звезду; б – в неполную звезду; в – в треугольник; г – на разность токов двух фаз;
д – на сумму токов всех трех фаз; е, ж – последовательное и параллельное
соединение двух ТТ

Выбор и проверка трансформаторов тока для РЗА.Трансформаторы тока выбираются по номинальному току и напряжению установки и проверяются на термическую и электродинамическую стойкость при КЗ. Кроме того, ТТ, используемые в цепях РЗ, проверяются на значение погрешности, которая не должна превышать 10 % по току и 7° по углу. Для проверки по этому условию в информационных материалах заводов-поставщиков ТТ и в другой справочной литературе даются следующие характеристики и параметры ТТ.

Согласно ГОСТ 7756–78 предельной кратностью К₁₀ называется наибольшее отношение, т. е. наибольшая кратность первичного тока, проходящего через ТТ, к его номинальному току, при которой полная погрешность ТТ ( ) при заданной вторичной нагрузке (табл. 3.1) не превышает 10 %. При этом гарантируется предельная кратность при номинальной вторичной нагрузке , называемой номинальной предельной кратностью.

Таблица 3.1

Расчет нагрузки в зависимости
от схемы соединения трансформаторов тока

Схема соединения ТТ и реле	Вид КЗ	Формулы для определения нагрузки на зажимах вторичных обмоток
Полная звезда	Трехфазное и двухфазное	. Величина во всех случаях принимается равной 0,1 Ом
Однофазное
Неполная звезда	Трехфазное
Двухфазное АВ или ВС
Двухфазное за трансформатором Υ/∆-11

Окончание табл. 3.1

Схема соединения ТТ и реле	Вид КЗ	Формулы для определения нагрузки на зажимах вторичных обмоток
На разность токов двух фаз	Трехфазное
Двухфазное АС
Двухфазное АВ или ВС
Однофазное

Под 10%-й (5%-й) кратностью К₁₀ или К₅ понимают наибольшее отношение тока, проходящего через первичную обмотку к номинальному току первичной обмотки ТТ, при которой полная погрешность ТТ при заданной вторичной нагрузке Z₂ не превышает 10 % (5 %).

Трансформаторы тока проверяются по 10%-й или 5%-й кратности.

В каталогах заводов-изготовителей трансформаторов тока дается величина номинальной мощности S_ном,В · А соответствующая 10%-й кратности при номинальном вторичном токе I_2ном. При этом величина Z_2доп определяется по формуле

Ом. (3.10)

Современные типы ТТ и величины их номинальной мощности S_ном приведены в приложении 7 (табл. П.7.2).

Величина вторичной нагрузки зависит от схемы соединения ТТ и реле и определяется по выражениям табл. 3.1. Для применяемой схемы ведется расчет Z_н.расч и из вычисленных значений наибольшую величину сопротивления Z_н.расч применяем для проверки ТТ на 10%-ю кратность.

Условием выполнения требований 10%-й кратности будет

(3.11)

Кратность тока при близких КЗ может существенно превысить допустимую. В данном случае не только увеличивается погрешность ТТ, но и искажается форма кривой вторичного тока за счет насыщения сердечника. Если кратность тока превысит значение 30–60 для ТТ, то электромеханические и микроэлектронные реле тока могут отказать в работе: первые – из-за недопустимой вибрации контактов, вторые – из-за изменения характеристик срабатывания. Для данного случая в цифровых реле предусмотрено программное средство обеспечения восстановления синусоидальности кривой вторичного тока по нескольким мгновенным значениям, измеренным в начале периода.