ВИБІР ВИМІРЮВАЛЬНИХ ТРАНСФОРМАТОРІВ СТРУМУ, ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ ДИФЕРЕНЦІАЛЬНИМ РЕЛЕЙНИМ ЗАХИСТОМ
Розглянуто принципи роботи вимірювальних трансформаторів струму, що використовуються диференціальним релейним захистом, та їх класифікація. Надано рекомендації щодо вибору трансформаторів струму.
Ключові слова: трансформатор струму, диференціальний релейний захист, коротке замикання.
Вибір вимірювальних трансформаторів струму відіграє важливу роль при реалізації диференційного захисту. Для коректного порівняння струмів диференціальним релейним захистом, первинні струми повинні трансформуватися з достатньою точністю та при правильній полярності.
Внаслідок неправильної полярності підключення або за наявності похибок трансформації виникають хибні диференціальні струми. Це призводить до загрози стійкості функціонування захисту через протікання наскрізних струмів пошкодження через об'єкт захисту. Також в результаті насичення трансформатора струму можливе виникнення значних похибок. При реалізації диференційного захисту завжди необхідно прагнути до вибору трансформаторів струму, що мають однакові характеристики та конструкцію. При відсутності забезпечення захистом додаткового гальмування при насиченні трансформатора струму обов'язково слід враховувати зазначене вище. Дане зауваження є справедливим при реалізації захисту на базі електромеханічних та більшості статичних аналогових реле. Але незважаючи на це цифрові пристрої захисту допускають високий ступінь насичення трансформаторів струму. Це можливо завдяки вбудованому детектору насичення, який запобігає неправильним діям захисту.
Принцип роботи силового трансформатора та трансформатора струму ідентичні. У нормальному режимі роботи магнітна індукція є незначною порівняно з магнітною індукцією насичення. Зі збільшенням первинного струму та падіння напруги на підключеному вторинному навантаженні також пропорційно збільшується магнітна індукція. Тому при виборі трансформатора струму необхідно враховувати вимоги трансформації періодичної складової струму пошкодження без насичення трансформатора струму.
При розгляді систем захисту магнітною індукцією розсіяння трансформатора струму можна знехтувати. Спрощена схема заміщення представлена на рисунку.
Схема заміщення трансформатора струму
Стандарт МЕК 60044-8-2010 встановлює вимоги, що пред'являються до трансформаторів струму в перехідному режимі при трансформації струму пошкодження з урахуванням аперіодичної складової. Залежно від конструкції їх осердя даним стандартом виділяється чотири класи трансформаторів струму:
1. Клас TPS – трансформатор струму із замкнутим осердям з дуже низьким реактивним опором розсіювання. Для цього класу характеристика намагнічування та опір вторинної обмотки визначають здатність до трансформації.
2. Клас TPX – трансформатор струму із замкнутим осердям без обмеження залишкової магнітної індукції. Для його вибору необхідно додатково визначити вимоги до характеристик у перехідному режимі.
3. Клас TPZ – трансформатор струму з лінеаризованим осердям (залишкова індукція є незначно малою). Зазначена точність застосовується лише при трансформації періодичної складової струму. Однак для аперіодичної складової характерне сильне затухання.
4. Клас TPY – трансформатор струму з повітряним зазором для зниження рівня залишкової індукції (залишкова індукція <10%). Як і клас TРX, при виборі необхідно визначити вимоги до характеристик у перехідному режимі.
Виділеним класам відповідають наступні граничні похибки (таблиця 1).
Класи трансформаторів струму згідно зі стандартом МЕК 60044-8-2010
Таблиця 1
| Клас | Похибка при ном. струмі: | Максимальне значення величини миттєвої похибки при граничному значенні первинного струму | |
|---|---|---|---|
| струмова | кутова | ||
| ТРХ | ±0,5% | ±30 хв. | ϵ<10% |
| ТРY | ±1,0% | ±60 хв. | ϵ<10% |
| ТРZ | ±1,0% | ±180 ±18 хв. | ϵ<10% (Періодична складова) |
Трансформатори струму перших двох класів трансформують аперіодичну та періодичну складову в певному діапазоні значень з високою точністю. Для трансформаторів струму даного типу характерний дуже високий рівень значення залишкової магнітної індукції, який може перевищувати 80%. При трансформації струму з аперіодичною складовою майже вся виникла магнітна індукція залишається в осерді. Щоб її ліквідувати, необхідно розмагнітити трансформатор струму.
Зазначене може призвести до виникнення ситуації, коли при подальшому АПВ (автоматичне повторне ввімкнення), у разі несприятливого моменту замикання контактів силового вимикача, магнітна індукція подвоїться за значенням. Отже, для застосування АПВ необхідно вибирати трансформатор струму з удвічі більшим перетином магнітопроводу.
Рівень залишкової індукції значно знижує наявність повітряних зазорів в осерді трансформатора струму. Вони зменшують час розмагнічування до 1 секунди або менше. Проте постійну часу вторинного кола неможливо значно знизити. Це обумовлено тим, що в такому випадку аперіодична складова струму короткого замикання не буде трансформуватися правильним чином. Таким чином, нижня межа приблизно дорівнює 200 - 300 мс. У результаті для трансформатора струму класу TPY характерне лише часткове розмагнічування під час безструмової паузи.
Наявність великих повітряних зазорів, характерна для трансформаторів струму класу TPZ, призводить до досить сильного загасання аперіодичної складової струму під час трансформації. Це значно зменшує збільшення магнітної індукції. Завдяки тому, що постійна часу трансформатора струму приблизно дорівнює 60 мс, осердя розмагнічується менш ніж за 200 мс. Отже, до моменту виконання АПВ магнітна індукція знизиться до 0. Це дозволяє значно заощадити на перетині магнітопроводу.
Частота та амплітуда аперіодичної складової струму короткого замикання, а також рівень залишкової магнітної індукції трансформатора струму враховується лише в незначній кількості статистичних аналізів.
Струм пошкодження містить лише аперіодичну складову в дуже рідкісних випадках. Низька ймовірність такої ситуації існує при ударах блискавки. У більшості випадків відсоток вмісту аперіодичної складової не перевищує 70%.
Канадськими дослідниками був проведений аналіз рівня залишкової індукції трансформатора струму. Згідно з його результатами, лише для 27% трансформаторів струму зі 141 були виявлені значення залишкової індукції, що дорівнюють 60...79%. Найгіршим випадком є накладення максимальної аперіодичної складової та максимальної залишкової індукції. Дана ситуація на практиці зустрічається досить рідко. У такому випадку, якщо передбачається використання трансформатора струму із замкнутим магнітопроводом, то такий трансформатор струму вийде дуже громіздким і дорогим. Тому такі умови зазвичай не розглядаються на практиці. Для врахування можливого виконання повторного ввімкнення на стійке коротке замикання проводиться вибір трансформатора струму з такими характеристиками, щоб він допускав роботу без насичення. Для цієї мети застосовуються трансформатори струму з повітряними зазорами класу TPY або TPZ. Необхідна гранична кратність трансформації трансформатора струму визначається на підставі характеру зміни магнітної індукції.
У МЕК 60044-8-2010 наведені докладні рекомендації щодо проведення розрахунків, а також представлені їх приклади.
Для вибору характеристик трансформаторів струму в першу чергу необхідно враховувати рекомендації фірм-виробників використовуваних пристроїв захисту. Вони дозволяють визначити мінімальну необхідну граничну кратність або відповідну напругу точки зламу для максимального наскрізного струму короткого замикання та згідно з мінімальним необхідним часом роботи без насичення після виникнення короткого замикання. Диференційний захист лінії додатково вимагає, щоб граничні кратності для трансформаторів струму двох кінців лінії не відрізнялися значним чином.
При виборі вимірювальних трансформаторів струму диференціального релейного захисту необхідно розглянути стабільність функціонування захисту при протіканні наскрізного струму короткого замикання (режим зовнішнього короткого замикання). Тобто, потрібно забезпечити мінімальну граничну робочу кратність, що залежить від величини максимального наскрізного струму короткого замикання.
Від трансформатора струму насамперед вимагається здатність трансформувати максимальну періодичну складову наскрізного струму короткого замикання без насичення, що дозволяє за наявності аперіодичної складової допускати значний ступінь насичення.
У випадку диференційного релейного захисту шин ситуація є складнішою. Це обумовлено тим, що струми пошкодження від кількох джерел живлення втікають у захищуваний об'єкт по окремих приєднаннях і витікають з нього, як сума струмів короткого замикання від усіх джерел живлення через пошкоджене приєднання. З цієї причини необхідно, щоб пристрій захисту шин допускав значний ступінь насичення вимірювального трансформатора струму. Для диференційного захисту шин допускається правильна трансформація струму лише протягом 3 мс для забезпечення стійкого неспрацювання. Це означає, що трансформатор струму повинен бути здатний трансформувати половину максимального сумарного струму пошкодження.
Для досягнення стійкості спрацювання при внутрішніх коротких замиканнях необхідно забезпечити правильну трансформацію струму без насичення протягом встановлюваного мінімального часу для можливості формування команди відключення без витримки часу. Дана умова може стати визначальною у випадку, коли струм короткого замикання досить значний. Ця ситуація є актуальною для диференційного релейного захисту силового трансформатора. Для внутрішнього короткого замикання, близького до вводів, струм пошкодження буде дуже великим. На противагу цьому, при зовнішньому короткому замиканні струм пошкодження буде значно меншим через те, що враховується опір силового трансформатора.
Більш докладні рекомендації щодо вибору трансформаторів струму наведені в документації з пристроїв захисту або у вказівках щодо розрахунків, що надаються фірмами-виробниками.