Выбор трансформаторов тока и допустимой вторичной нагрузки

С учетом тока нагрузки защищаемого элемента, его рабочего напряжения и вида РЗ выбирают тип ТТ и его номинальный коэффициент трансформации, после чего проводят проверку на термическую и динамическую стойкость. Выбранные таким образом ТТ проверяют на точность и надежность работы питающейся от них Р3, исходя из следующих требований ПУЭ:

1) обеспечения точности работы измерительных органов РЗ при КЗ в расчетных точках электрической сети, выбираемых в зависимости от типа РЗ, при этом полная погрешность ТТ е не должна превышать 10%;

2) предотвращения отказа срабатывания РЗ при наибольших значениях тока КЗ в начале участка, защищаемого РЗ, вследствие чрезмерного увеличения погрешности ТТ и искажения формы кривой вторичного тока, могущей вызвать вибрацию контактов у электромеханических реле, снижение чувствительности и быстродействия у полупроводниковых реле под влиянием высших гармоник;

3) ограничения напряжения во вторичных цепях ТТ и РЗ до допустимых значений при I_{K MAX}.

Для выполнения первого требования, как правило, выбирается ТТ класса Р с коэффициентом трансформации, обеспечивающим необходимую кратность тока при КЗ в требуемой для рассматриваемой РЗ точке сети. Лля выбора допустимой нагрузки при заданной кратности К_РАСЧ = I_К.РАСЧ/I_1ТТ и полной погрешности ТТ ε ≤ 10% используются кривые предельной кратности, построенные по заводским данным, или характеристики намагничивания, снятые при разомкнутой первичной обмотке – вольт-амперные характеристики U₂ = f (I_HAM).

Выбор Z_H по кривым предельной кратности К_{1 0} = f (Z_H). Этот метод является самым простым и им следует пользоваться как основным методом расчета требуемой точности работы ТТ класса Р:

а) рассчитывают значение максимального первичного тока КЗ I_1РАСЧMAX, при котором для рассматриваемой РЗ погрешность а не должна превышать 10%;

б) вычисляют максимальную кратность найденного первичного тока I_1РАСЧMAX по формуле

(3.11)

в) по заводской характеристике К_{1 0} = f (Z_H) для данного типа ТТ и принятого коэффициента трансформации К_I определяют Z_H.ДОП для К_{РАСЧ.МАХ};

г) определяют действительное сопротивление нагрузки Z_H с учетом сопротивления проводов и реле и проверяют выполнение условия Z_H ≤ Z_H.ДОП. Если окажется, что Z_H > Z_H.ДОП, то необходимо или увеличить коэффициент трансформации К_I ТТ, или выбрать ТТ, у которого при K_{РАСЧМАХ} допускается большее значение Z_H.ДОП, или уменьшить Z_H (за счет увеличения сечения жил соединительного кабеля или сокращения его трассы), либо принять ТТ с вторичным номинальным током 1 А.

Выбор Z_H по вольт-амперным характеристикам ТТ U₂ = f (I_2HAM). При отсутствии сведений о погрешности ТТ его пригодность для данной РЗ и допустимую нагрузку вторичной цепи Z_H можно приближенно оценить по характеристике зависимости вторичного тока намагничивания I_2HAM от вторичного напряжения U₂. Характеристику снимают опытным путем по схеме, приведенной на рис. 3.7,а. Меняя напряжение U₂ на зажимах вторичной обмотки, измеряют соответствующий каждому значению U₂ ток I_HAM во вторичной обмотке, который является I_HAM, поскольку первичная обмотка разомкнута. На основании полученных данных строится зависимость U₂ = f (I_2HAM) (рис. 3.7, б).

Вследствие малого значения сопротивления вторичной обмотки Z₂ принимается, что U₂ ≈ E₂ и тогда полученная характеристика может рассматриваться как зависимость E₂ = f (I_2HAM).

На основании этой характеристики можно определить значения Е₂ и I_2HAM, при которых наступает насыщение (по точке Н – конец прямолинейной части), и, пользуясь формулой (3.9а), вычислить допустимую нагрузку Z_H.ДОП при заданном токе КЗ I₂ = I₁/K_I. Погрешность ε = I_2HAM.Н /I₂ %. Этот метод может применяться для проверки погрешности ТТ, имеющих малое сопротивление R₂ по сравнению с Z_H.

Для выполнения второго условия используется зависимость параметра А от токовой погрешности ТТ А = f (f_i). Начнем с рассмотрения поведения ТТ при кратностях первичного тока в насыщенной части характеристики намагничивания.

Работа ТТ в режиме глубокого насыщения. При КЗ в начале защищаемой зоны РЗ кратность первичных токов, проходящих через ТТ защищаемых элементов, может оказаться очень большой. В этих условиях ТТ могут работать в режиме глубокого насыщения, который характеризуется двумя особенностями: резким увеличением тока намагничивани ТТ с соответствующим ростом погрешностей (ε и f_i) до 20% более и значительным искажением формы кривой вторичного тока I₂, в составе которого наряду с основной появляются и высшие гармоники. При этом как электромеханические, так и статические ИО, реагирующие на ток, могут отказать в работе: первые – из-за вибрации контактов, вторые – из-за изменения характеристик срабатывания реле. Чем больше значение погрешности ТТ (ε и f_i), тем больше искажается форма кривых токов I₂ и I_2HAM. Проверка надежности действия ИО при глубоком насыщении ТТ сводится к определению значения тоновой погрешности при максимальной кратности тока КЗ K_MAX = I_{K MAX}/I_{HOM TT} в случае повреждения в начале защищаемого участка. Это значение f _i не должно превосходить предельно допустимого, при котором еще обеспечивается правильная работа рассматриваемого ИО.

Расчет погрешностей ТТ, работающих в режиме насыщения, методом эквивалентных синусоид, при резком искажении синусоид токов I₂ и I_2HAM, дает преувеличенные значения погрешности f _i, а значение допустимой нагрузки случается меньше реального значения.

Более точным и простым способом расчета погрешностей насыщенного ТТ является способ, основанный на замене (аппроксимации) действительной характеристики намагничивания (рис. 3.8, а) прямоугольной характеристикой намагничивания (ПХН). При мгновенных значениях индукции В_t < В_S, при которой наступает глубокое насыщение магнитопровода, характеристика намагничивания представляется в виде вертикальной прямой (рис. 3.8, а). При этом I_HAM = 0 и , – работа ТТ считается идеальной.

При В_t > В_S магнитопровод ТТ насыщается, и дальнейшее изменение В, прекращается независимо от значения I_HAM. Характеристика намагничивания насыщенного ТТ изображается прямой линией, параллельной оси абсцисс, мало отличаясь от действительной характеристики намагничивания на ее участке за точкой перегиба (точка Н) (рис. 3.7). Схема замещения, характеризующая работу ТТ с ПXН, показана на рис. 3.8, б. Ветвь намагничивания, соответствующая вертикальной прямой ПXН, должна иметь бесконечно большое сопротивление X_HAM = ∞ поскольку I_HAM = 0, а при работе на горизонтальном участке ПXН X_HAM скачкообразно уменьшается до нуля. При этом e₂ = 0, . Поэтому ветвь намагничивания в схеме замещения заменяется рубильником S (рис. 3.8, б). При работе ТТ в вертикальной части характеристики рубильник разомкнут (I_HAM = 0), а в горизонтальной – замкнут (X_HAM = 0).

Кривые мгновенных значений (i ₁, i ₂, i _HAM), напряжения (u₂) и магнитной индукции (В) приведены на рис. 3.9. Первичный ток i ₁ определяется параметрами сети и имеет форму синусоиды. Вторичный ток i ₂ на участках А совпадает с i ₁ пока В_t < В_S. В момент времени t₁ индукция В_t достигает значения В_S (насыщения), рубильник S в схеме замещения (рис. 3.8, б) замыкается,, i ₂ → 0. Ток i ₂ затухает по экспоненциальному закону с постоянной времени вторичной цепи τ =L₂/R₂. В момент времени t₂ (когда В_t < В_S) магнитопровод ненасыщен, и ток i ₂ снова равен . В следующем полупериоде процесс повторяется. Методика на основе ПXН позволяет определить формы кривых I₂ и I_HAM и найти значение I₁ при котором наступает насыщение (момент t₁) и значение I_HAM, при заданном значении I_1MAX.

Для упрощения расчета погрешностей ТТ вводится коэффициент А, являющийся обобщенным параметром, определяющим при ε = 10% = соnst и соs φ = 0,8 значение токовой погрешности. Зависимость f _i = F(А) приведена на рис. 3.10. Она построена с использованием обобщенных характеристик f _i = F^’(I_1УД), полученных экспериментально на модели ТТ с магнитопроводом из одинакового сорта стали, с одинаковыми удельными параметрами. Поэтому характеристика, приведенная на рис. 3.10, справедлива для всех типов однокаскадных ТТ отечественного производства. Коэффициент А выражается в виде отношения максимального первичного тока I_MAX, для которого ищется значение f _i, к первичному току I_{РАСЧ1 0}, определенному по кривым предельной кратности для заданной нагрузки Z_H при ε = 10%, соs φ = 0,8; А = I_1MAX/I_{РАСЧ1 0}, или в виде отношения кратностей этих токов: А = K_1MAX/K_{РАСЧ1 0}.

Пользуясь зависимостью f _i = F(А), можно по заданному значению K_1MAX находить значение f _i или по заданному f _i определять значение K_1MAX. В обоих случаях для определения значения K_{РАСЧ1 0} необходимо иметь кривые предельной кратности К_{1 0} = f (Z_H.ДОП). Для реле разных типов допустимы разные значения f _iДОП при работе ТТ в условиях глубокого насыщения: 50% – для РТ-40, РТ-80 и РТ-90, направленных РС (индукционные и полупроводниковые с нуль-индикатором на магнито- электрическом реле); 40% – для РТ-40 (выпуск до 1969 г.) и РБМ с жесткими упорами и т.д.

При известном f _iДОП для конкретных реле и устройств РЗ из рис. 3.10 определяется А и вычисляется отношение К_MAX/A. Если К_MAX/A > К_РАСЧ, то в качестве расчетной кратности принимается К_РАСЧ = К_MAX/A.

Если К_MAX/A < К_РАСЧ, то в качестве расчетной сохраняется кратность К_РАСЧ.