КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр-1

Их нельзя использовать для питания устройств релейной защиты от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, защит от витковых замыканий электрических машин и для защит от ненормальных режимов электроустановок, таких как повышение или понижение напряжения и понижение частоты. В этих случаях в качестве источников оперативного тока должны использоваться

трансформаторы напряжения или трансформаторы собственных нужд .

Схема питания оперативным током от трансформатора напряжения и от трансформатора собственных нужд приведена на рисунке 1.14 б), в). Схема б) применяется для питания оперативных цепей защит, а для питания цепей управления выключателями обычно используется схема в), где для питания цепей управления используется выпрямленный ток.

Рисунок 1.14 – Схема питания оперативных цепей защиты переменным оперативным током

а) непосредственно от трансформаторов тока; б) от трансформаторов напряжения; в) от трансформатора собственных нужд

Однако, трансформаторы напряжения и трансформаторы собственны х нужд непригодны для питания оперативных цепей защит от к.з. т.к. при к.з. напряжение сети резко снижается, и они могут использоваться для таких защит как, например, защиты от перегрузки, от замыканий на землю, повышения напряжения и др.

Помимо непосредственного использования мощности трансформаторов тока и напряжения можно использовать энергию, накопленную в предварительно заряженных конденсаторах. Заряд конденсатора обычно осуществляется в нормальном режиме от напряжения сети. При исчезновении напряжения на электроустановке запасённая конденсатором энергия сохраняется и её можно использовать для питания защит, которые должны работать при исчезновении напряжения.

Схема с питанием от заряженного конденсатора изображена на рисунке 15. Конденсатор 1 питается от трансформатора напряжения через выпрямитель 2. В нормальном режиме конденсатор заряжен. При действии защиты он замыкается на катушку отключения, питая её током разряда.

Рисунок 1.15 – Схема питания оперативных цепей защиты переменным током с использованием энергии заряженного конденсатора

В России питание оперативных цепей от источников переменного тока получило широкое распространение в электрических сетях напряжением 6-35 кВ.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

21

2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Включение измерительных приборов и реле в электроустановках высокого напряжения переменного тока производится в большинстве случаев через измерительные преобразователи –

трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН).

Измерительные трансформаторы предназначены для изолирования измерительных приборов и реле от первичных цепей высокого напряжения и для уменьшения напряжения (тысячи вольт) и тока (сотни и тысячи ампер) до величин удобных для измерения.

В России трансформаторы напряжения обычно изготавливаются на номинальное вторичное напряжение 100 В, а трансформаторы тока – на номинальный вторичный ток 5 и 1 А.

Конструктивно трансформаторы напряжения отличаются от трансформаторов тока.

2.1.ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА

Трансформатором тока называется трансформатор, в котором при правильных условиях применения вторичный ток практически пропорционален первичному току и при правильном включении сдвинут относительно него по фазе на угол, близкий к нулю.

Классификация трансформаторов тока

Все трансформаторы тока можно классифицировать по следующим основным признакам:

По роду установки:

−для работы на открытом воздухе;

−для работы в закрытых помещениях;

−для встраивания во внутренние полости электрооборудования;

−для специальных установок.

По способу установки:

−проходные трансформаторы тока (используются в качестве ввода и устанавливаются в проёмах стен, потолков или металлических конструкциях);

−опорные (устанавливаются на опорной плоскости);

−встраиваемые (для установки во внутренние полости электрооборудования);

По числу коэффициентов трансформации:

−с одним коэффициентом трансформации;

−с несколькими коэффициентами трансформации, получаемыми изменением числа витков первичной или вторичной обмотки, или обеих обмоток;

По выполнению первичной обмотки:

−одновитковые;

−многовитковые.

По роду изоляции между первичной и вторичной обмотками ТТ:

−с твёрдой изоляцией (фарфор, литая изоляция, прессованная изоляция );

−с вязкой изоляцией (заливочные компаунды);

−с комбинированной изоляцией (бумажно – масляная, конденсаторного типа);

−с газообразной изоляцией (воздух, элегаз).

По принципу преобразования тока:

−электромагнитные трансформаторы тока;

−оптико – электронные трансформаторы тока.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

22

Устройство и принцип действия трансформатора тока

− Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь измеряемого тока и, следовательно, через неё проходит весь первичный ток нагрузки или к.з.

Устройство и схема включения трансформатора тока показаны на рисунке 2.1.

Трансформатор тока имеет стальной сердечник С и две обмотки: первичную W1 и вторичную W2. Трансформаторы тока часто имеют два и более сердечника, при этом первичная обмотка является общей для всех сердечников. Первичная обмотка имеет меньшее количество витков и включается последовательно в цепь измеряемого тока. К вторичной обмотке, имеющей большее количество витков, подключаются последовательно соединенные реле и приборы.

Рисунок 2.1 – Устройство и схемы включения ТТ

а) с одним сердечником; б) с двумя сердечниками.

Первичный ток I1, проходящий по первичной обмотке трансформатора тока создаёт в сердечнике магнитный лоток Ф1, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней вторичный ток I2, который также создаёт магнитный поток Ф2, но направленный противоположно магнитному потоку Ф1. Результирующий магнитный поток в сердечнике ТТ равен:

Ф0 = Ф1-Ф2;

Величина магнитного потока зависит от величины создаваемого его тока и от количества витков обмотки, по которой этот ток протекает. Произведение тока на число витков F=IW называется намагничивающей силой и выражается в ампер-витках. Поэтому выражение для Ф0 можно заменить выражением:

F0 = F1 - F2 или I0W1 = I1W1 - I2W2, где

I0 – ток намагничивания, являющийся частью первичного тока (Iнам);

Разделив все члены последнего выражения на W2, получим:

W1				W1	или	I1		I 2	I нам		, где
I1 W 2		I 2		I нам W 2		nТ				nТ

nТ W 2 - витковый коэффициент трансформации трансформатора тока.

W1

Соотношение первичного и вторичного токов имеет вид:

I 2 I1 I нам ; nТ nТ

При Iнам=0 трансформатор тока работает «идеально», его вторичный ток пропорционален первичному и совпадает с ним по фазе:

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

23

I 2 I1 ; nТ

Однако в действительности намагничивающий ток не может быть равным нулю, поэтому

действительный вторичный ток ТТ отличается от «идеального» на величину, которая и вносит искажение в величину и фазу вторичного тока. Таким образом, вследствие наличия тока намагничивания во вторичную обмотку трансформируется не весь первичный ток, а только его часть, что и вызывает погрешность в работе трансформатора тока.

Погрешности возникают вследствие того, что действительный процесс трансформации в ТТ происходит с затратой мощности, которая расходуется на создание в сердечнике магнитного потока, перемагничивания стали сердечника (гистерезис), потери от вихревых токов, а также на нагрев обмоток.

Искажающее влияние тока намагничивания показано на векторной диаграмме (см. рисунок 2.3), построенной на основе схемы замещения на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Упрощённая схема замещения трансформатора тока.

На схеме замещения Z1 и Z2 – сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора тока, Zнам – сопротивление ветви намагничивания. Из схемы замещения видно, что первичный ток I1, входящий в начало первичной обмотки Н, проходит по сопротивлению первичной обмотки Z1 и в точке а разветвляется по двум параллельным ветвям. Основная часть тока, являющаяся вторичным током I2 замыкается на

сопротивление вторичной обмотки	Z2 и сопротивление нагрузки Zн. Другая часть
первичного тока Iнам замыкается	через сопротивление ветви намагничивания и

следовательно в реле и приборы подключённые ко вторичной обмотке ТТ, не попадает. Ветвь между точками а и б схемы замещения ТТ называется ветвью намагничивания и весь ток Iнам, проходящий по этой ветви, - током намагничивания.

Рисунок 2.3 – Упрощённая векторная диаграмма трансформатора тока.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

24

Из векторной диаграммы трансформатора тока видно, что вектор вторичного тока I2 меньше вектора трансформированного первичного тока I1/nT, на величину I и сдвинут относительно его на угол δ.

Различают следующие виды погрешностей трансформаторов тока:

− Токовая погрешность (погрешность в коэффициенте трансформации), определяемая как арифметическая разность между первичным током, поделённым на коэффициент трансформации I1/nT, и измеренным (действительным) вторичным током I2 ( I по диаграмме на рисунке 2.3):

I I1 I 2 ; nТ

Угловая погрешность, определяемая как угол сдвига между током I1/nT и измеренным вторичным током I2 , и считается положительной, когда I2 опережает I1/nT.

Причиной возникновения погрешностей у трансформаторов тока является существование тока намагничивания. Чем меньше ток намагничивания, тем меньше погрешности ТТ.

При номинальном значении первичного тока ток намагничивания ТТ обычно не превышает 0,5 – 3% номинального тока.

Величина тока намагничивания зависит от э.д.с. Е2 и сопротивления ветви намагничивания Zнам, т.е.:

	I нам		E2
			Z нам

Э.д.с. Е2 можно определить как падение напряжения от тока I2 в сопротивлении вторичной обмотки Z2 и сопротивлении нагрузки ZН, т.е.

Е2 = I2 (Z2+ ZН);

Так как величина вторичного тока I2 зависит от величины первичного тока I1, то э.д.с. Е2, а следовательно, и ток намагничивания Iнам возрастают при увеличении тока I1 или при увеличении сопротивления нагрузки ZН, подключённой ко вторичной обмотке.

Сопротивление ветви намагничивания Zнам зависит от конструкции ТТ и качества стали сердечника. Это сопротивление не является постоянной величиной и зависит от характеристики намагничивания стали, представляющей собой зависимость тока намагничивания Iнам от величины магнитного потока ФТ в сердечнике трансформатора тока (см. рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Характеристика намагничивания трансформаторов тока.

В начальной части характеристики ток намагничивания почти пропорционален магнитному потоку в сердечнике ТТ. При некотором значении магнитного потока Ф’Т происходит насыщение магнитопровода трансформатора тока. При этом Zнам резко уменьшается и возрастает ток Iнам. Возрастание тока намагничивания происходит

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

25

значительно быстрее, чем поток в сердечнике трансформатора тока, что вызы вает резкое возрастание погрешностей ТТ.

Сопротивление Zнам обратно пропорционально магнитному сопротивлению Rм сердечника трансформатора тока, определяемому конструктивными параметрами трансформатора тока:

Rм		l		, где
			S

l – путь, по которому замыкается поток ФТ ; S – сечение стали магнитопровода;

μ – магнитная проницаемость стали.

Таким образом, для увеличения Zнам нужно увеличивать сечение стали магнитопровода, сокращать путь l и применять сталь с высокой магнитной проницаемостью, добиваясь увеличения прямолинейной части характеристики намагничивания трансформатора тока и ее крутизны.

Для уменьшения погрешностей трансформатор тока должен работать в прямолинейной части своей характеристики намагничивания (где ток намагничивания пропорционален потоку в сердечнике трансформатора). Это условие обеспечивается:

–конструктивными параметрами сердечника;

–правильным выбором нагрузки вторичной обмотки;

–снижением величины вторичного тока, что достигается выбором соответствующего коэффициента трансформации.

Погрешности трансформаторов тока резко возрастают в первый момент к.з., когда в первичном токе имеется апериодическая составляющая.

Классификация трансформаторов тока по допустимым погрешностям приведена в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Допустимые погрешности трансформаторов тока.

	Класс	Допустимая	Допустимая
		погрешность	погрешность	Область применения
	точности
		по току,%	по углу, мин.
	0,2	+ 0,2	+ 10'	Точные лабораторные измерения
	0,5	+ 0,5	+ 40'	Учёт электроэнергии
	1,0	+ 1,0	+ 80'	Все типы защит и щитовые приборы
	Р или (Д)	не нормируется		Специальные для дифференциальной защиты

Допустимые погрешности, приведенные в таблице 2, соответствуют нагрузкам вторичной обмотки ТТ, не превышающим номинальной, и при вторичном токе не превышающем 120% номинального. При увеличении нагрузки или тока выше указанных значений погрешности ТТ возрастают и он переходит в другой (следующий) класс точности.

Требования, предъявляемые к трансформаторам тока используемых для релейной защиты отличаются от требований, предъявляемых к ТТ используемых для измерений. Если ТТ, питающие измерительные приборы, должны работать точно в пределах своего класса при токах нагрузки близких к их номинальному току, то ТТ, питающие релейную защиту, должны работать с достаточной точностью при прохождении больших токов (токов к.з., значительно превышающих номинальный ток ТТ).

Действующие «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ) требуют, чтобы ТТ, предназначенные для питания релейной защиты, имели погрешность, как правило, не более 10%. Большая погрешность допускается в отдельных случаях, когда это не приводит к неправильным действиям релейной защиты.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

26

Выбор трансформаторов тока производится по кривым 10%-й погрешности, определяющим зависимость максимальной кратности I1макс/ I1ном первичного тока от сопротивления нагрузки вторичной обмотки трансформатора тока, при которых погрешность ТТ равна 10%. Вид кривой 10%-й погрешности изображен на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Кривая 10%-й погрешности.

При погрешности 10% трансформатор тока достигает насыщения.

Для правильного соединения ТТ между собой и правильного подключения к ним реле и приборов выводы обмоток трансформаторов тока обозначаются (маркируются) следующим образом: начало первичной обмотки – Л1, начало вторичной обмотки – И1; конец первичной обмотки – Л2, конец вторичной обмотки – И2

Как правило, 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 её вывод, из которого ток выходит, если в этот момент в первичной обмотке ток проходит от начала Л1 к концу Л2 (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 – Маркировка выводов обмоток трансформаторов тока.

При маркировке и включении реле по этому правилу ток в реле при подключении его по этому правилу сохраняет то же направление, что и при непосредственном включении в первичную сеть.

2.2. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЙ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА И ЦЕПЕЙ ТОКА РЕЛЕ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ

Для токовых защит используются схемы с ТТ, установленными во всех трёх фазах (трёхфазные) или в двух фазах (двухфазные). При этом вторичные обмотки ТТ могут соединяться в полную или неполную звезду, а также в полный или неполный треугольник.

Подключение пусковых реле тока к трансформаторам тока в схемах токовых защит может осуществляться по различным схемам:

соединение ТТ и обмоток реле в полную звезду;

соединение ТТ и обмоток реле в неполную звезду;

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

27

соединение ТТ в треугольник, а обмоток реле в звезду;

соединение двух ТТ и одного реле в схему на разность токов 2-х фаз;

соединение ТТ в фильтр токов нулевой последовательности.

Поведение и работа реле в каждой из этих схем зависят от характера распределения токов в ее вторичных цепях в нормальных и аварийных условиях. При анализе различных схем сначала определяются положительные направления действующих величин первичных токов ТТ при различных видах к.з., а затем определяются пути замыкания вторичных токов каждого ТТ. Результирующий ток в проводах и обмотках реле тока определяется геометрическим сложением или вычитанием соответствующих векторов фазных токов.

Для каждой схемы определяется отношение тока в реле Iр к току в фазе Iф, которое называется коэффициентом схемы:

К сх I Р ;

IФ

Коэффициент схемы необходимо учитывать при расчёте уставок и оценке чувствительности токовой защиты.

Векторные диаграммы первичных токов при различных к.з. представлены на рисунке 2.8.

Схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле в полную звезду

Трансформаторы тока устанавливаются во всех фазах. Вторичные обмотки трансформаторов тока и обмотки реле соединяются в звезду и их нулевые точки связываются одним проводом, называемым нулевым. В нулевую точку объединяются одноименные зажимы обмоток трансформаторов тока.

Рисунок 2.7 – Соединение трансформаторов тока и реле по схеме полной звезды

При нормальном режиме и трехфазном к.з. в реле I, II и III проходят токи фаз:

		I А	;			I В	;		I С	,
I α		nТ		I в				I с	nТ
						nТ				геометрическая сумма, I н.п. Iα Iв Iс , которая при
а	в нулевом				проводе			— их

симметричных режимах равна нулю (как при наличии, так и отсутствии заземления, рисунок 2.8,

а).

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

28

Рисунок 2.8 – Векторная диаграмма токов.

а — при трехфазном к. з.; б — при двухфазном к. з.; е — при однофазном коротком замыкании; г — при двухфазном к. з. на землю; д — при двойном замыкании на землю в разных точках.

При двухфазных к.з. ток к.з. проходит только в двух поврежденных фазах и соответственно в реле, подключенных к трансформаторам тока поврежденных фаз (рисунок 2.8, б), ток в неповрежденной фазе отсутствует. Согласно закону Кирхгофа сумма токов в узле равна нулю,

следовательно, I В IС = 0, отсюда IС I В .

С учетом этого на векторной диаграмме (рисунок 2.8, б) токи IB и IС показаны сдвинутыми по фазе на 180°.

Ток в нулевом проводе схемы равен сумме токов двух поврежденных фаз, но так как последние равны и противоположны по фазе, то ток в нулевом проводе также отсутствует.

Т.е. реле, включенное в нулевой провод схемы трансформаторов тока, соединённых в полную звезду, не будет реагировать на междуфазные к.з.

Однако, из-за неидентичности характеристик и погрешностей ТТ сумма вторичных токов при нагрузочном режиме и при 3-х и 2-х фазных к.з. отличается от нуля и в нулевом проводе проходит ток, называемый током небаланса.

При однофазных к. з. первичный ток к.з. проходит только по одной поврежденной фазе (рисунок 2.8, в). Соответствующий ему вторичный ток проходит также только через одно реле и замыкается по нулевому проводу.

При двухфазных к.з. на землю токи проходят в двух повреждённых фазах и соответственно в двух реле, а в нулевом проводе проходит ток, равный геометрической сумме токов повреждённых фаз, всегда отличный от нуля.

При двойном замыкании на землю в различных точках, например фаз В и С, на участке между точками замыкания на землю режим аналогичен 1ф. к.з. фазы В, а между источником питания и ближайшему к нему месту замыкания фазы С – соответствует режиму 2-х фазного к.з. фаз В и С.

Нулевой провод схемы звезды является фильтром токов нулевой последовательности. Токи прямой и обратной последовательностей в нулевом проводе не проходят, так как векторы каждой

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

29

из этих систем дают в сумме нуль. Токи же нулевой последовательности совпадают по фазе, поэтому в нулевом проводе проходит утроенное значение этого тока.

Ток в реле равен току в фазе, поэтому коэффициент схемы равен единице: КСХ = 1.

Выводы:

1.Схема полной звезды реагирует на все виды замыканий.

2.	Схема	применяется	для
включения защиты от всех видов однофазных и междуфазных к.з.
3.	Схема отличается надежностью,
так как при любом замыкании срабатывают по крайней мере два реле.

Схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле в неполную звезду

ТТ устанавливаются в двух фазах (обычно А и С), вторичные обмотки и обмотки реле соединяются аналогично схемы полной звезды.

Рисунок 2.9 – Схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле в неполную звезду.

В нормальном режиме и при трёхфазном к.з. в реле I и III проходят токи соответствующих

фаз:

		I А	;				I С	,
I α		nТ		I с			nТ
В	нулевом				проводе ток равен их геометрической сумме: I н.п. I α I с Iв

Фактически ток в нулевом проводе соответствует току фазы В, отсутствующей во вторичной цепи.

В случае двухфазного к.з. токи появляются в одном или двух реле (I или III) в зависимости от того, какие фазы повреждены.

Ток в обратном проводе при двухфазных к.з. между фазами А и С, в которых установлены трансформаторы тока, равен нулю, т.к. IA = - IC, а при замыканиях между фазами AB и ВC он

соответственно равен IН.П = - Iа и IН.П = - IС.

В случае однофазного к.з. фаз (А или С), в которых установлены трансформаторы тока, во вторичной обмотке трансформатора тока и обратном проводе проходит ток к.з. При замыкании на землю фазы В, в которой трансформатор тока не установлен, токи в схеме защиты не появляются; следовательно, схема неполной звезды реагирует не на все случаи однофазного к.з. и поэтому применяется только для защит, действующих при между фазных повреждениях. Рассмотрев поведение защиты при различных видах замыканий, нетрудно заметить, что при трехфазном замыкании работают три реле, при двухфазном - два; при замыкании фазы В на землю защита не работает.

Выводы:

1.Схема неполной звезды реагирует на все виды междуфазных замыканий.

2.Схема достаточно надежна, т.к. при любом междуфазном замыкании срабатывают, по крайней мере, два реле.

3.Для ликвидации однофазных замыканий требуется дополнительная защита.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

30