ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И ИХ ПОГРЕШНОСТИ

Трансформаторы тока являются очень важным элементом релейной защиты. Они питают цепи защиты током сети и выполняют роль датчика, через который поступает информация к измеритель­ным органам устройств релейной защиты. От точности этой ин­формации зависит надежная и правильная работа релейной защиты. Поэтому основным требованием к трансформаторам тока является точность трансформации с погрешностями, не превышающими допустимых значений. Принцип устройства трансформатора тока [Л. 19, 20, 89], схема его замещения и векторная диаграмма при­ведены на рис. 3-1. Напомним некоторые положения о работе трансформаторов тока и рассмотрим причины, вызывающие их погрешность.

Принцип действия. Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь контролируемого тока I₁ (рис. 3-1, а). Вторичная обмотка замыкается на сопротив­ление нагрузки z_Н, состоящее из последовательно вклю­ченных реле и различных приборов.

Ток I₁, проходящий по виткам первичной обмотки w₁, и ток I₂, индуктированный во вторичной обмотке w₂, создают намагни­чивающие силы (н. с), которые вызывают магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, замыкающиеся по стальному магнитопроводу 1. Намагничи­вающие силы и создаваемые ими магнитные потоки геометрически складываются, образуя результирующую н. с. I_намw₁ и результи­рующий магнитный поток трансформатора Ф_т:

Поток Ф_т, называемый рабочим или основным, пронизывает обе обмотки и наводит во вторичной обмотке э. д.с. Е₂, которая создает в замкнутой цепи вторичной обмотки ток I₂. Поток Ф_т создается н. с.. I_намw₁ следовательно, током I_нам. Последний

* Под номинальным коэффициентом трансформации подразумевается отношение номинального первичного тока трансформатора тока ко вторич­ному n_Т = I_1ном/I_2ном. В заводских материалах дается номинальный коэф­фициент трансформации, а не витковый. При /_Нам = 0 n_Т=n_B, поскольку согласно (3-2) 1₁/1_г = w₂1w₁ = n_B

 

Выражение (3-2) показывает, что при отсутствии намагничи­вающего тока вторичный ток I_II (расчетный ток) равен первичному току I₁, поделенному на коэффициент трансформации п_в и сдвинут относительно первичного тока по фазе на 180°. В этом случае первичный ток полностью трансформируется во вторичную об­мотку w₂ и трансформатор тока работает идеально без погреш­ностей и потерь.

Причины погрешности. В действительности ток намагничива­ния I_нам не может быть равен нулю, так как он создает рабочий магнитный ноток Ф_т, который осуществляет трансформацию пер­вичного тока во вторичную обмотку. При отсутствии тока I_нам, а следовательно, и потока Ф_т трансформация невозможна, так как во вторичной обмотке не будет наводиться э. д. с. Е₂ и ток I₂ будет равен нулю. С учетом этого ток I_нам ≠ 0 и тогда вторичный ток I₂ из уравнения (3-1) получается равным:

Таким образом, причиной, вызывающей погрешность в работе трансформаторов тока, является ток намагничивания.

Векторная диаграмма и виды погрешностей трансформаторов тока. Искажающее влияние тока намагничивания показано на векторной диаграмме рис. 3-1, в, в основу которой положена схема замещения (рис. 3-1, б). В схеме замещения магнитная связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора тока заменена электрической, а все величины первичной стороны приве­дены к виткам вторичной обмотки.

 

 

 

В выражениях (3-5) и (3-5а) коэффициент трансформации п_Т принимается равным номинальному коэффициенту трансформации. Погрешность по углу выражается в градусах и минутах, она счи­тается положительной, если I₂ опережает I₁ как показано на рис. 3-1, в. Относительные погрешности ε, Δ I и δ увеличиваются с увеличением тока намагничивания I_нам.

Чрезмерно большие погрешности могут вызвать неправильные действия устройств релейной защиты. Поэтому уменьшение погрешности трансформаторов тока является очень важной зада­чей, она сводится к уменьшению тока намагничивания трансфор­маторов тока ¹.

3-2. ПАРАМЕТРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УМЕНЬШЕНИЕ НАМАГНИЧИ­ВАЮЩЕГО ТОКА

Ток намагничивания (рис. 3-1, в) состоит из составляющей I´ _a.нам, обусловленной активными потерями на гистерезис и от вихревых токов в магнитопроводе трансформатора тока, и состав­ляющей I´ _р.нам создающей магнитный поток Ф_т, который индук­тирует во вторичной обмотке э. д. с. Е₂. Ток I´ _р.нам » I´ _a.нам.

Для уменьшения I´ _a.нам магнитопровод трансформа­тора тока выполняется из шихтованной стали, имеющей небольшие активные потери.

Для уменьшения второй составляющей I_р.нам нужно уменьшать поток Ф_Т, связанный с I_р.нам известным соотношением

 

¹ Следует отметить, что на практике значение тока I₂ подсчитывается без учета погрешностей по выражению (3-2), согласно которому I₂ = I₁/n_Т. Эго допустимо при малых значениях I_нам. Например, при токах I₁, близких к номинальному, когда I_нам составляет 0, 5—3% расчетного тока I₂. При больших кратностях первичного тока и особенно при насыщении магнитопровода I_нам возрастает и расчет I₂ необходимо вести с учетом погрешностей по выражению (3-3).

 

где R_м — магнитное сопротивление стального сердечника 1 транс­форматора тока.

Графически эта зависимость представляется характеристикой намагничивания, изображенной па рис. 3-2.

В начальной части характеристики ток намагничивания почти пропорционален Ф_Т. При некотором значении потока Ф_Т = Ф'_Т происходит насыщение магнитопровода,

вследствие чего ток намагни­чивания возрастает значительно быстрее, чем поток Ф_т, что вызывает резкое увеличение погрешностей. Следовательно, для ограничения по­грешностей нужно ограничивать ве­личину магнитного потока Ф_Т или магнитной индукции В_Т = Ф_т/Q, не допуская насыщения магнитопровода.

Из принципа работы трансформа­тора тока вытекает, что поток Ф_т должен иметь такую величину, при которой наведенная им вторичная э. д. с. Е₂ была бы достаточной для компенсации падения напряжения в цепи вторичной обмотки. Как известно, поток Ф_т связан с наведенной им э. д. с. Е₂ выражением

Поскольку вторичный ток I₂ = I₁ /n_T, то с увеличением I₁ и z_Н э. д. с. Е_г растет, а следовательно, растет магнитный поток Ф_т и намагничивающей ток I_нам.

Таким образом, для уменьшения Ф_т (а следовательно, и I_нам) нужно уменьшать Е₂, стремясь к тому, чтобы при максимальных значениях тока к. з. возникающий в трансформаторе поток Ф_т не насыщал магнитопровод. Уменьшение Е₂ достигается уменьше­нием z_Н и уменьшением вторичного тока I₂ путем повышения коэффициента трансформации трансформатора тока п_Т, или иначе говоря, путем снижения кратности максимального первичного тока I_1макс, проходящего через трансформатор тока по отношению к его номинальному току I_1ном:

Существенное влияние на величину на­магничивающего тока оказывают кон­структивные параметры.

Как вытекает из выражения (3-6), для уменьшения I_p.нам необходимо уменьшать магнитное сопротивление R_м и увеличивать число витков первичной обмотки w₁. Для уменьшения R_м =l/μ Q нужно увеличивать сечение стали магнитопровода Q, сокращать путь l, по которому замыкается поток Ф_т, и применять сталь с вы­сокой магнитной проницаемостью μ, добиваясь увеличения пря­молинейной части характеристики намагничивания трансфор­матора тока и ее крутизны.

В качестве дополнительной меры по повышению точности транс­форматоров тока заводы-изготовители применяют компенсацию I_нам уменьшением числа витков w₂ вторичной обмотки против рас­четного значения w₂ = w₁n₁. В результате этой коррекции вто­ричный ток I₂ увеличивается на 1—3%, компенсируя, таким обра­зом, его уменьшение на 1—3% за счет I_нам. Такой способ дает результат при малых значениях I_нам, т.е. при токах, близких к номинальному. Следует заметить, что при коррекции витков витковый коэффициент трансформации становится меньше но­минального: п_в < п_Т.

Таким образом, для уменьшения погрешностей трансформатор тока должен иметь минимальную величину I_нам и работать в пря­молинейной части своей характеристики намагничивания. Это условие обеспечивается: а) конструктивными параметрами магни­топровода; б) правильным выбором нагрузки вторичной обмотки z_Н и в) снижением величины вторичного тока за счет уменьшения кратности первичного тока К_1макс, что достигается выбором соот­ветствующего коэффициента трансформации п_Т. В процессе проек­тирования и эксплуатации электрических установок ограничение погрешностей трансформаторов тока возможно только за счет уменьшения кратности первичного тока К_1макс и нагрузки вторичной обмотки z_H.

Погрешности трансформаторов тока резко возрастают в пер­вый момент к. з., когда в первичном токе имеется апериодическая составляющая (см. § 10-3); это необходимо учитывать при расчете быстродействующих защит.

ТРЕБОВАНИЯ К ТОЧНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА, ПИТАЮЩИХ РЕЛЕЙНУЮ ЗАЩИТУ

Трансформаторы тока, питающие релейную защиту, должны работать с определенной точностью в пределах значений токов к. з., на которые должна реагировать релейная защита. Эти токи, как правило, превышают номинальные токи трансформаторов тока I_1ном и, следовательно, точная работа трансформаторов тока с погрешностью, не превосходящей определенного значения, должна обеспечиваться при первичных токах 1₁ > I_1ном. На осно­вании опыта эксплуатации и теоретического анализа принято, что для обеспечения правильной работы большинства устройств релейной защиты погрешность трансформаторов тока не должна превышать по току Δ I 10%, а по углу δ — 7°.

Эти требования обеспечиваются, если полная погрешность трансформаторов тока ε ≤ 10%, или иначе говоря, если топ намагничивания не превосходит 10% от тока I_1, проходящего по трансформатору тока, т. е. I_нам ≤ 0, 1 I₁. В § 3-2 было показано что погрешность трансформаторов тока зависит от кратности первичного тока К_1макс и нагрузки вторичной обмотки z_н. Для каж­дого типа трансформатора тока имеются определенные значения К_1макс и z_н при которых погрешность ε будет равна 10%. Поэтому исходными величинами для оценки пoгрешности трансформаторов тока, применяемых для релейной защиты, является максималь­ный первичный ток I_1макс, при котором требуется точная работа и нагрузка вторичной обмотки z_н. Максимальный ток, при котором требуется точность трансформаторов тока, зависит от вида защиты. Для одних защит, например токовых максимальных с независи­мой характеристикой и для токовых отсечек этот ток I_1макс равен их току срабатывания, для других — току к. з., проходящему через трансформаторы тока при к. з. в начале или конце защищае­мой зоны. Нагрузка z_н определяется конкретными условиями вы­полнения рассматриваемой защиты. Она складывается из сопро­тивления реле z_Р и сопротивления соединительных проводов z_п, которые для упрощения суммируются арифметически:

z_н= z_p+ z_п

Предельные значения К_1мако и z_н из условия 10%-ной по­грешности должны давать заводы, изготавливающие трансформа­торы тока.

Кроме релейной защиты трансформаторы тока питают измери­тельные приборы. Поэтому согласно ГОСТ 7746-68 точность ра­боты трансформаторов тока характеризуется для измерительных приборов классом точности, а для релейной защиты — предельной кратностью первичного тока К₁₀ = I_1макс / I_1ном и нагрузкой z_н.доп, при которых гарантируется, что полная погрешность трансформа­торов тока ε не превысит 10%.

Погрешности классов точности устанавливают, исходя из условий точной работы измерительных приборов, а погрешность при предельной кратности тока К₁₀ и нагрузке z_н.доп в соответ­ствии с требованиями, предъявляемыми релейной защитой.

Класс точности. В СССР, для промышленных установок изго­тавливаются трансформаторы тока классов: 0, 5; 1; 3; 10 и Р или по старому ГОСТ Д.

Каждый класс точности характеризуется определенной погреш­ностью по току Δ I и углу δ, установленной ГОСТ 7746-68. Эти погрешности приведены в табл. 3-1, они обеспечиваются только при первичных токах I₁ в пре­делах от 0, 1 до 1, 2 номиналь­ного тока, т. е. в диапазоне токов нагрузки, контролируе­мой измерительными прибора­ми.

Трансформаторы тока клас­са Р предназначаются для ре­лейной защиты и поэтому их погрешности при номинальных токах не нормируются. Работа трансформаторов тока с погрешностью, соответствующей классу, обеспечивается при нагрузке вто­ричной обмотки, не выходящей за пределы номинальной.

Номинальной нагрузкой трансформаторов тока называется максимальная нагрузка, при которой погрешность трансформаторов тока равна значению, установленному для дан­ного класса (см. табл. 3-1). Номинальную нагрузку принято выражать в виде полной мощности S_ном (В·А) при номинальном вторичном токе 5 или 1 А и соs φ = 0, 8, или в виде сопротивления нагрузки z_н._ном (Ом). Номинальная мощность S_н._ном = U₂I_2ном.Учитывая, что U₂ = I_2ном z_н.ном, получаем:

В зависимости от конструкции и класса точности трансфор­матора тока значение номинальной нагрузки колеблется от 2, 5 В·А до 100 В·А. При токах I₁ > 1, 2 I_1ном погрешности трансформаторов тока выходят за пределы, установленные для данного класса. Следует отметить, что класс точности не может служить основа­нием для выбора трансформаторов тока, питающих защиту, так как предусматриваемые им погрешности относятся к номинальным токам, в диапазоне которых релейная защита не работает. Для релейной защиты, исходя из указанных выше требований к погрешностям трансформаторов тока, заводы, изготовляющие трансформаторы тока, должны согласно ГОСТ 7746-68 давать в своих

информационных мате­риалах перечисленные ниже данные.

1. Кривые предельной крат­ности К₁₀ трансформаторов тока. Эти кривые приводятся в заводской информации для трансформаторов тока класса Р, предназначенных для релейной защиты. Кривые представляют собой зависимость максималь­ной кратности первичного тока К₁₀ = I_1макс /I_1ном от сопротив­ления нагрузки z_н, при которых полная погрешность ε =10%.

Рис. 3-3. Кривые для расчета погрешности трансформатора тока.

а — кривые предельной кратности тока К₁₀ = f (z_н); б — кривые 10%-ной погрешности трансформатора тока типа ТПФ на 6—10 кВ для сердечника класса 1,

Характер подобной зависимости К₁₀ =f (z_н) при ε =10% при­веден на рис. 3-3, а. При предельной кратности К₁₀ и нагрузке z_н, соответствующей любой точке кривой К₁₀ =f(z_н), трансформа­торы тока работают на перегибе характеристики намагничивания в точке Н (рис. 3-2 и 3-4), т. е. вблизи начала насыщения магнитопровода. Соответствующий этой точке ток I_нас и является указанным выше предельным максимальным током I_1макс.

Для трансформаторов тока класса Д, выполняемых по ГОСТ 7746-55, давались кривые 10%-ной погрешности m₁₀ = f(z_н). Эти кривые (рис. 3-3, 6) определяют аналогичную предыдущей зависимость предельной кратности первичного тока m₁₀ = f(z_н), но при условии, что 10%-ная погрешность по току равна Δ I, а не ε. Однако для релейной защиты определяющей является полная погрешность ε = I_нам/I₁. Поэтому в новом ГОСТ 7746-68 вместо зависимости m₁₀ = f(z_н) при Δ I =10%, приводится зави­симость К₁₀ = f (z_н) при ε = 10%.

 

2. Номинальная предельная кратность К_{10 ном} трансформа­торов тока. Согласно ГОСТ 7746-68 значение К_{10 ном} приводится в информационных материалах заводов для трансформаторов тока всех классов. Под этой величиной под­разумевается кратность К_{10 ном} = I_1макс / I_1ном, при которой полная погрешность ε при номинальной на­грузке z_нном не превышает 10%. На основании этих данных можно счи­тать, что если действительная крат­ность К ≤ К_{10 ном} и действительная нагрузка z_н ≤ z_ннои, то ε ≤ 10%.

3. Типовые кривые намагничива­ния В_m = f и параметры трансформаторов тока: номинальное число витков w₂ вторичной обмотки, средняя длина магнитного пути l, сечение магнитопровода Q, сопротивление вторичной обмотки r₂. Эти данные должны приводиться в заводской информации для всех трансформаторов тока. Пользуясь ими, можно определить при заданной кратности первичного тока К_1макс значение z_{н доп}, при котором ε =10%, или 20, 30% и т. д.

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. Ранняя философия древнегреческого Востока и Запада
2. Анализ проектов с различающимися по величине денежными потоками
3. Асинхронный двигатель переменного тока
4. В процессе измерения не следует прикасаться к соединительным проводам, клеммам и элементам испытуемой цепи для исключения протекания тока через тело работающего с прибором.
5. В то же время, при освещении и нагревании пластины из германия или кремния, сила тока в цепи возрастает (т.е. сопротивление уменьшается).
6. Влияние продолжительности прохождения тока на исход поражения
7. Возможные погрешности методов Милля
8. Выбор выключателей, разъединителей, трансформаторов тока и напряжения, расчёт конструкции сборных шин и связей между элементами РУ и оборудованием на напряжении 110 кВ
9. Выбор реле защиты от недопустимого тока возбуждения
10. Выбор тока срабатывания защиты
11. ВЫБОР ТОКА СРАБАТЫВАНИЯ ЗАЩИТЫ
12. Выбор трансформаторов напряжения и тока