ВЫБОР ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТОЙ
Рассмотрены принципы работы измерительных трансформаторов тока, используемых дифференциальной релейной защитой иих классификация. Даны рекомендации по выбору трансформаторов тока.
Ключевые слова: трансформатор тока, дифференциальная релейная защита, короткое замыкание.
Выбор измерительных трансформаторов тока играет важную роль при реализации дифференциальной защиты. Для верного сравнения токов дифференциальной релейной защитой, первичные токи должны трансформироваться с достаточной точностью и при правильной полярности.
Вследствие неправильной полярности подключения или при наличии погрешностей трансформации возникают ложные дифференциальные токи.
Это приводит к угрозе устойчивости функционирования защиты из-за протекания сквозных токов повреждения через объект защиты. Также в результате насыщения трансформатора тока возможно возникновение значительных погрешностей. При реализации дифференциальной защиты всегда необходимо стремиться к выбору трансформаторов тока, обладающих одинаковыми характеристиками и конструкцией. При отсутствии обеспечения защитой дополнительного торможения при насыщении трансформатора тока обязательно надо учитывать указанное выше. Данное замечание справедливо при реализации защиты на базе электромеханических и большинства статических аналоговых реле. Но несмотря на это цифровые устройства защиты допускают высокую степень насыщения трансформаторов тока. Это возможно благодаря встроенному детектору насыщения, который предотвращает неправильные действия защиты.
Принцип работы силового трансформатора и трансформатора тока идентичны. В нормальном режиме работы магнитная индукция незначительна по сравнению с магнитной индукцией насыщения. С увеличением первичного тока и падения напряжения на подключенной вторичной нагрузке также пропорционально увеличивается магнитная индукция. Поэтому при выборе трансформатора тока необходимо учитывать требования трансформации периодической составляющей тока повреждения без насыщения трансформаторы тока.
При рассмотрении систем защиты магнитной индукцией рассеяния трансформатора тока представляется возможным пренебречь. Упрощенная схема замещения представлена на рисунке.
Схема замещения трансформатора тока
Стандарт МЭК 60044-8-2010 устанавливает требования предъявляемые к трансформаторам тока в переходном режиме при трансформации тока повреждения с учетом апериодической составляющей. В зависимости от конструкции их сердечника данным стандартом выделяется четыре класса трансформаторов тока:
1. Класс TPS - трансформатор тока с замкнутым сердечником с очень низким реактивным сопротивлением рассеяния. У данного класса характеристика намагничивания и сопротивление вторичной обмотки определяют способность к трансформации.
2. Класс TPX -трансформатор тока с замкнутым сердечником без ограничения остаточной магнитной индукции. Для его выбора необходимо дополнительно определить требования к характеристикам в переходном режиме.
3. Класс TPZ–трансформатор тока с линеаризованным сердечником (остаточная индукция пренебрежимо мала).Указанная точность применима только при трансформации периодической составляющей тока. Однако для апериодической составляющей характерно сильное затухание.
4. Класс TPY -трансформатор тока с воздушным зазором для снижения уровня остаточной индукции (остаточная индукция <10%). Как и класс TРX при выборе необходимо определить требования к характеристикам в переходном режиме.
Выделенным классам соответствуют следующие предельные погрешности (таблица 1).
Классы трансформаторов тока согласно стандарту МЭК 60044-8-2010
Таблица 1
| Класс | Погрешность при ном. токе: | Максимальное значение величины мгновенной погрешности при предельном значении первичного тока | |
|---|---|---|---|
| токовая | угловая | ||
| ТРХ | ±0,5% | ±30 мин | ϵ<10% |
| ТРY | ±1,0% | ±60 мин | ϵ<10% |
| ТРZ | ±1,0% | ±180 ±18 мин | ϵ<10% (периодич. сост.) |
Трансформаторы тока первых двух классов трансформируют апериодическую и периодическую составляющую в определенном диапазоне значений с высокой точностью. Для трансформаторов тока данного типа характерен очень высокий уровень значения остаточной магнитной индукции, который может превышать 80%. При трансформации тока с апериодической составляющей почти вся возникшая магнитная индукция остаётся в сердечнике. Чтобы её ликвидировать, необходимо размагнитить трансформатора тока.
Указанное может привести к возникновению ситуации, когда при последующем АПВ, в случае неблагоприятного момента замыкания контактов силового выключателя, магнитная индукция удвоится в значении.
Следовательно, для применения АПВ необходимо выбирать трансформатор тока с в два раза большим сечением магнитопровода.
Уровень остаточной индукции значительно снижает наличие воздушных зазоров в сердечнике трансформатора тока. Они уменьшают время размагничивания до 1 секунды или менее. Тем не менее постоянную времени вторичной цепи невозможно снизить значительным образом. Это обусловлено тем, что в таком случае апериодическая составляющая тока короткого замыкания не будет трансформироваться правильным образом.
Таким образом, нижний предел приблизительно равен 200 - 300 мс. В результате для трансформатора тока класса TPY характерно только лишь частично размагничивается во время бестоковой паузы.
Наличие больших воздушных зазоров, характерное для трансформаторов тока классаTPZ, приводит к достаточно сильному затуханию апериодической составляющей тока во время трансформации. Это значительно уменьшает увеличение магнитной индукции. Благодаря тому, что постоянная времени трансформатора тока приблизительно равна 60 мс, сердечник размагничивается менее, чем за 200 мс. Следовательно, к моменту выполнения АПВ магнитная индукция снизится до 0. Это позволяет значительно сэкономить на сечении магнитопровода.
Частота и амплитуда апериодической составляющей тока короткого замыкания, а также уровень остаточной магнитной индукции трансформатора тока учитывается лишь в незначительном числе статистических анализов.
Ток повреждения содержит только апериодическую составляющую в очень редких случаях. Низкая вероятность такой ситуации существует при ударах молнии. В большинстве случаев процент содержания апериодической составляющей не превышает 70%.
Канадскими исследователями был произведён анализ уровня остаточной индукции трансформатора тока. Согласно его результатам, лишь для 27% трансформаторов тока из 141 были выявлены значения остаточной индукции равные 60...79% Наихудшим случаем является наложение максимальной апериодической составляющей и максимальной остаточной индукции. Данная ситуация на практике встречается достаточно редко. В таком случае, если предусматривается использование трансформатора тока с замкнутым магнитопроводом, то такой трансформатор тока получится очень громоздким и дорогостоящим. Поэтому такие условия обычно не рассматриваются на практике. Для учета возможного выполнения повторного включения на устойчивое короткое замыкание производится выбор трансформатора тока с такими характеристиками, чтобы он допускал работу без насыщения. Для этой цели применяются трансформаторы тока с воздушными зазорами класса TPYили TPZ. Требуемая предельная кратность трансформатора тока определяется на основании характера изменения магнитной индукции.
В МЭК 60044-8-2010 приведены подробные рекомендации по проведению расчетов, а также представлены их примеры.
Для выбора характеристик трансформаторов тока в первую очередь необходимо учитывать рекомендации фирм-производителей используемых устройств защиты. Они позволяют определить минимальную требуемую предельную кратность или соответствующее напряжение точки излома для максимального сквозного тока короткого замыкания и согласно минимальному требуемому времени работы без насыщения после возникновения короткого замыкания. Дифференциальная защита линии дополнительно требует, чтобы предельные кратности для трансформаторов тока двух концов линии не отличались значительным образом.
При выборе измерительных трансформаторов тока дифференциальной релейной защиты необходимо рассмотреть стабильность функционирования защиты при протекании сквозного тока короткого замыкания (режим внешнего короткого замыкания). Т.е. требуется обеспечить минимальную предельную рабочую кратность, зависящую от величины максимального сквозного тока короткого замыкания.
От трансформатора тока прежде всего требуется способность трансформировать максимальную периодическую составляющую сквозного тока короткого замыкания без насыщения, что позволяет при наличии апериодической составляющей допускается значительная степень насыщения.
В случае дифференциальной релейной защиты шин ситуация является более сложной. Это обусловлено тем, что токи повреждения от нескольких источников питания втекают в защищаемый объект по отдельным присоединениям и вытекают из него, как сумма токов короткого замыкания от всех источников питания через поврежденное присоединение.
По этой причине, необходимо чтобы устройство защиты шин допускало значительную степень насыщения измеряющего трансформатора тока. Для дифференциальной защиты шин допускается правильная трансформация тока лишь в течение 3 мс для обеспечения устойчивого несрабатывания.
Это означает, что трансформатор тока должен быть способен трансформировать половину максимального суммарного тока повреждения.
Для достижения устойчивости срабатывания при внутренних коротких замыканиях необходимо обеспечить правильную трансформацию тока без насыщения в течение устанавливаемого минимального времени для возможности формирования команды отключения без выдержки времени. Данное условие может стать определяющим в случае, когда ток короткого замыкания достаточно значителен. Эта ситуация актуальна для дифференциальной релейной защиты силового трансформатора. Для внутреннего короткого замыкания близкого к вводам ток повреждения будет очень большим. В противоположность этому, при внешнем коротком замыкании ток повреждения будет значительно меньше из-за того, что производится учет сопротивления силового трансформатора.
Более подробные рекомендации по выбору трансформаторов тока приведены в документации по устройствам защиты или в указаниях по расчетам, предоставляемых фирмами-производителями.