Преобразователь трехфазной системы питания в двухфазную 3 страница

В зависимости от погрешности по ГОСТ 7746–78 разли­чают классы точности 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10.

Наряду с токовой и угловой погрешностью ГОСТ 7746–78 предусмотрена полная погрешность , %; она ха­рактеризует относительный намагничивающий ток:

где – действующее значение первичного тока; i₂ – мгно­венное значение вторичного тока; – мгновенное значение первичного тока; Т – период частоты переменного тока (0,02 с).

5. Номинальная нагрузка ТТ – сопротивление нагрузки , Ом, при котором ТТ работает с заданным классом точности при номинальном значении =0,8. Иногда применяется понятие номинал:

Поскольку значение тока стандартизовано, то но­минальное сопротивление нагрузки однозначно определяет и номинальную мощность трансформатора.

6. Номинальная предельная кратность – кратность первичного тока по отношению к его номинальному значению, при которой полная погрешность достигает 5 или 10%. Соответственно, ТТ имеют класс точности 5Р и 10Р. Нагрузка и ее коэффициент мощности должны быть номинальными.

7. Максимальная кратность вторичного тока – отношение наибольшего вторичного тока к его номинальному значению при номинальной вторичной нагрузке. Максимальная кратность вторичного тока определяется насыщением магнитопровода, когда дальнейшее возрастание первичного тока не ведет к возрастанию потока.

В аварийном режиме ТТ обтекаются током КЗ и их обмотки подвергаются воздействию больших токов.

8. Динамическая стойкость ТТ (кратность) определяется отношением допустимого ударного тока КЗ к амплитуде номинального первичного тока.

9. Термическая стойкость (кратность) задается отношением допустимого в течение 1 с тока КЗ к номинальному зна­чению первичного тока.

Так как ток первичной обмотки задается сетью, то наибольшим термическим и динамическим воздействиям под­вергается первичная обмотка. Вторичный ток часто ограни­чивается насыщением магнитопровода, и поэтому вторичная обмотка работает в облегченных условиях.

3.2.2. Погрешности ТТ, зависимость погрешностей
от различных факторов

3.2.2.1. Зависимость погрешности от первичного тока

В про­цессе работы первичный ток ТТ изменяется в широких пре­делах – примерно от 5% до тока КЗ. Ради упроще­ния можно положить, что sin . Тогда

.

Так как , то

При изменении первичного тока изменяется только про­ницаемость .

Если , то , т.е. с ростом первичного тока индукция в магнитопроводе растет линейно.

Абсолютная магнитная проницаемость материала и индукция В_т связаны кривой на рис. 3.3. На том же рисунке приведена кривая В_т(Н). С ростом пер­вичного тока вначале увеличивается и погрешность падает, достигая при ми­нимального значения. При дальнейшем росте первич­ного тока проницаемость падает из-за насыщения магнитопровода, а погреш­ность увеличивается.

ТТ не должен иметь боль­ших погрешностей при номи­нальном токе и токе КЗ. Так как индукция насыщения ле­жит в области 2 Тл, то в нескомпенсированных ТТ но­минальное значение индук­ции выбирают в пределах 0,06-0,1 Тл. В силовых трансформаторах индукция выбирается 1,45-1,7 Тл и при работе она меняется мало.

При отсутствии компенсации погрешность по току всег­да отрицательна и с ростом первичного тока изменяется по U-образной кривой. Аналогично зависит от тока угловая погрешность, но она имеет положительный знак.

Для получения определенного класса точности погреш­ность ТТ должна находиться в допустимых пределах. Так, погрешности для ТТ класса точности 0,5 должны лежать внутри области, ограниченной ломаными линиями 3 (рис. 3.4)при нагрузке (0,25 – 1) и cos =0,8.

Р и с. 3.4. Компенсация погрешностей ТТ

отмоткой вторичных витков

Для магнитных материалов, применяемых в ТТ, в рабо­чем диапазоне индукций (0,06-0,1 Тл) кривую намагни­чивания можно аппроксимировать уравнением

Из математических преобразований следует, что погрешность по току резко воз­растает при уменьшении номинальной первичной МДС .

Наиболее рациональна конструкция ТТ с одновитковой первичной обмоткой в виде шины или стержня. Одна­ко для получения высокого класса точности (классы 1; 0,5) первичная номинальная МДС должна быть не ниже опре­деленной величины. Для современных магнитных материа­лов и разработанных одновитковых конструкций при клас­се точности 0,5 минимальный первичный ток должен быть не менее 400-900 А. При токах менее 400 А первичная обмотка выполняется многовитковой.

3.2.2.2. Влияние сопротивления нагрузки

Увеличение на­грузки Z₂ ведет к росту сопротивления Z₀₂. В соответствии с приведенными выражениями погрешность возрастает пропорционально . С целью снижения погрешности необходимо уменьшать ак­тивное и реактивное х₂ сопротивления вторичной обмот­ки. При уменьшении Z₀₂,допустим, в 2 раза уменьшаются в 2 раза ЭДС Е₂ и индукция В_т. При этом упадут напря­женность поля Н и МДС . В соответствии с равенст­вом вторичный ток увеличится из-за умень­шения . При изменении сопротивления нагрузки вблизи номинального значения изменение вторичного тока незначительно, так как он определяется током .

3.2.2.3. Влияние конструктивных параметров

В соответствии с приведенными соотношениями погрешность возрастает пропорционально длине магнитопровода . Поэтому длину стремятся сократить. Увеличение сечения магнитопровода S уменьшает погреш­ность, однако уменьшается медленнее, чем растет сече­ние. Следует также отметить, что с ростом сечения увели­чиваются средняя длина витка обмотки и ее активное сопротивление, что вызывает некоторое увеличение по­грешности. Так как при этом повышается масса стали, ме­ди и ТТ в целом, увеличение сечения магнитопровода не всегда рационально.

При прочих равных условиях переход на материал с большей магнитной проницаемостью уменьшает погреш­ность. Применение изоляционных материалов с улучшен­ными свойствами (эпоксидных смол, бумажно-масляной изоляции, элегаза) дает возможность уменьшить длину , а следовательно, и погрешность.

3.2.3. Компенсация погрешности

Для снижения погрешностей применяется их компенсация. Разли­чают компенсацию токовой и угловой погрешностей. Чаще всего не­обходима компенсация токовой погрешности. Эта компенсация выпол­няется для диапазона и применяется в ТТ, используе­мых для измерений. В ТТ, используемых для релейной защиты, ком­пенсация погрешности применяется реже.

Простейшим методом компенсации токовой погрешности является витковая коррекция. Если , то погрешность всегда имеет отрицательный знак и определяется приведенными уравнениями.

Если чис­ло витков вторичной обмотки уменьшить (отмотать), то при коэффициент трансформации становится меньше, а вторичный ток может быть больше, чем . Так создается положительная погрешность по току, частично компенсирую­щая отрицательную.

Таким образом осуществляется витковая коррекция. На рис. 3.4 кривые 1 относятся к трансформатору без компенсации, а кривые 2 – к тому же трансформатору после отмотки вторичных витков. При отмотке вторичных витков кривая погрешности перемещается параллельно самой себе в область меньших погрешностей и при боль­шом токе может быть даже положительной. Если вторичная нагрузка мала ), тo погрешность может выйти из допустимых пределов данного класса.

Наибольшую компенсацию необходимо вводить при малых первич­ных токах. Однако при этом в области номинальных токов при малых нагрузках появляется положительная погрешность, выходящая за пре­делы класса. Поэтому витковая коррекция не всегда эффективна, что является ее недостатком.

На угловую погрешность отмотка вторичных витков не оказывает влияния. Для уменьшения угловой погрешности на магнитопроводе ТТ устанавливается короткозамкнутый виток. Введение такого витка вызывает увеличение активных потерь в магнито­проводе и реактивного магнит­ного сопротивления , и в результате возра­стает угол потерь. При этом угловая погрешность падает, а погрешность по току увеличивается. Такую компен­сацию целесообразно приме­нять, когда по токовой погреш­ности имеется запас.

Существуют и другие ме­тоды компенсаций. Широко применяется метод шунта (ме­тод МЭИ), заключаю­щийся в повышении магнитной проницаемости путем подмагничивания магнитопровода ТТ по­лями рассеяния (рис. 3.5). Вторичная обмотка выполнена в виде со­гласно соединенных катушек 1 и 2 счислом витков w₂ и w_} соответст­венно. Первичная обмотка 3, имеющая w₁ витков, расположена на правом стержне. Внутри магнитопровода располагается магнитный шунт 4. Если пренебречь намагничивающим током, то можно написать

.

Распределение вторичной обмотки по двум стержням и установка шунта 4 создают увеличенные потоки рассеяния. На левом стержне при прохождении тока создается МДС . Эта МДС создает по­ток рассеяния , который замыкается через шунт. На правом стержне действует МДС, равная . Под действием этой МДС возникает поток рассеяния , который также проходит через шунт 4. Выбрав соответствующим образом магнитное сопротивление шунта, можно да­же при малых первичных токах перевести рабочую точку в область с высоким и понизить магнитное сопротивление магнитопровода.

Р и с. 3.5. Трансформатор тока с компенсацией

погрешности увеличением потоков рассеяния

В результате МДС, необходимая для проведения потока , резко па­дает, что ведет к уменьшению как токовой, так и угловой погрешнос­тей ТТ. При токах, близких к номинальному и превышающих его, проис­ходит насыщение шунта и компенсация перестает действовать. Наряду с повышением магнитной проницаемости магнитопровода положительную роль в снижении погрешности играет также уменьшение индуктивного сопротивления вторичной обмотки х ₂ в результате так называемого двойного рассеяния. Применение высококачественных магнитных материалов типа стали марки 3413, пермаллоя и др. с высокой магнитной проницаемостью и малыми активными потерями позволяет создавать малогабаритные ТТ с малой погрешностью и без применения компенсации.

3.2.4. Режимы работы ТТ

3.2.4.1. Работа ТТ при КЗ в контролируемой сети.

Трансфор­маторы тока являются одним из основных звеньев релей­ной защиты. Поэтому они должны быть термически и ди­намически стойкими и обладать погрешностью, обеспечи­вающей нормальную работу релейной защиты. При больших кратностях первичного тока магнитопровод ТТ насыщается и погрешность резко растет. Практика показала, что если полная погрешность достигла 10%, то при дальнейшем возрастании первичного тока она столь быстро увеличивается, что нормальная ра­бота релейной защиты невозможна.

Р и с. 3.6.Зависимость номинальной предельности
кратности от сопротивления нагрузки

Поэтому номинальная предельная кратность ТТ должна быть выше отношения тока КЗ к номинальному. Типичная зависимость номи­нальной предельной кратности от сопротивления нагруз­ки показана на рис. 3.6. Уменьшая сопротивление нагруз­ки, можно увеличивать номинальную предельную крат­ность. Трансформаторы, предназначенные для дифференци­альной защиты, выбираются с одинаковой номинальной предельной кратностью. При этом ток небаланса защиты, равный разности вторичных токов трансформаторов (при одинаковом первичном токе), получается небольшим.

При КЗ вследствие насыщения магнитопровода кривая вторичного тока резко отличается от синусоиды. Прибли­женно максимальную кратность вторичного тока можно найти

,

где B_s – индукция насыщения (для электротехнической стали B_s=2 Тл); В _тном – амплитуда индукции при номи­нальном первичном токе.

Трансформаторы с многовитковой первичной обмоткой при КЗ в контролируемой сети подвергаются повышенной электрической нагрузке. Индуктивное сопротивление та­кой обмотки соизмеримо с сопротивлением остальной короткозамкнутой цепи. При этом на обмотку может ложить­ся существенная часть напряжения сети, вследствие чего возможен пробой междувитковой изоляции.

3.2.4.2. Работа ТТ при наличии в токе
КЗ апериодической составляющей

До сих пор рассматривался установивший­ся режим, когда в первичной обмотке ТТ протекает сину­соидальный ток неизменной амплитуды. В действительно­сти начало КЗ характеризуется переходным процессом при наличии апериодической составляющей тока. Наи­более тяжелый случай для ТТ возникает, когда начальное значение апериодической составляющей равно амплитуде переменной составляющей (полная апериодическая состав­ляющая):

где – амплитуда периодической составляющей тока; – постоянная времени цепи КЗ.

Примем, что магнитопровод ненасыщен, его магнитная проницаемость постоянна и индуктивность цепи намаг­ничивания L₀ = const. Для упрощения положим, что на­грузка чисто активная (Z = R_H) и сопротивление обмотки = 0. Для схемы замещения рис. 3.2, г можно написать

где L'₀ – индуктивность цепи намагничивания, приведен­ная ко вторичной обмотке; i'₀ и – намагничивающий и первичный токи, приведенные ко вторичной обмотке; i₂ – вторичный ток -активное сопротивление вторичной об­мотки; – сопротивление нагрузки; – амплитуда переменной составляющей первичного тока, приведенная ко вторичной обмотке.

Решение этой системы дает мгновенные значения токов и i₂.

За угловую по­грешность в переходном режиме принимается фазовый сдвиг в градусах (или миллисекундах) между моментами прохождения через нуль вторичного и первичного то­ков. В переходном режиме угловая (фазовая) погрешность будет различной при каждом прохождении тока через нуль из-за наличия меняющейся во времени составляющей намагничивающего тока. На практике до­вольно часто амплитуда апериодической составляющей тока намагничивания в несколько десятков раз больше амплитуды периодической составляющей, причем магнитопровод насыщается под действием ин­дукции даже при небольшой кратности первичного тока. При этом возникают большие погрешности по току и углу, осложняющие работу релейной защиты. Для сни­жения погрешностей ТТ выполняются с немагнитным за­зором, наличие которого предотвращает насыщение маг­нитопровода под воздействием апериодической составляю­щей индукции. Исследованиями МЭИ установлена возможность создания ТТ для измерения больших переменных токов (100-120 кА) в переходных режимах. Ниже приво­дятся некоторые результаты этих исследований.

1. ТТ с тороидальным магнитопроводом и большим чис­лом вторичных витков может иметь большое отрицательное значение индуктивного сопротивления х2 даже при равно­мерном распределении витков вторичной обмотки на магни-топроводе. Хотя это сопротивление является чисто расчет­ным параметром, его наличие ухудшает работу ТТ, так как в магнитопроводе увеличивается индукция.

2. Сопротивление можно уменьшить увеличением числа немагнитных зазоров и увеличением внутреннего радиуса при сохранении его сечения.

3.2.4.3. Работа ТТ при разомкнутой вторичной обмотке

При эксплуатации ТТ возможны случаи, когда вторичная об­мотка оказывается разомкнутой. В нормальном режиме МДС составляет проценты или даже доли процента МДС . Амплитуда магнитной индукции составляет 0,06-0,1 Тл.

При размыкании вторичной обмотки размагни­чивающее действие вторичной МДС прекращается. Ток в первичной цепи остается неизменным, и первичная МДС целиком идет на намагничивание магнитопровода. Это при­водит к его насыщению и появлению высокой ЭДС на разомкнутой вторичной обмотке.

Примерные кривые изменения индукции В и вторичной ЭДС е₂ показаны на рис. 3.7. Чем больше первичная но­минальная МДС , тем больше амплитудное значе­ние , которое может достигать десятка кВ. Такое напряжение опасно для изоляции трансформатора и обслу­живающего персонала.

Р и с. 3.7. Изменение индукции В и вторичной ЭДС Е
во времени при разомкнутой вторичной обмотке

При насыщении магнитопровода в нем резко возраста­ют активные потери, за счет которых температура изоляции может существенно превысить допустимые значения.

Режим разомкнутой вторичной обмотки является для трансформатора тока аварийным,что необходимо преду­сматривать при проектировании цепей релейной защиты.

Обычно вторичная обмотка выводится на дополнительные контакты К с перемычкой. Перед отклю­чением от вторичной обмотки измерительного прибора она вначале шунтируется этой перемычкой.

3.2.5. Конструкция ТТ

Различают одновитковые и многовитковые трансформаторы тока. В одновитковом ТТ первичная обмотка может быть выполнена в виде стержня, шины или пакета шин. Примером такого исполнения является трансформатор типа ТПОЛ-Ю с номинальным напряжением 10 кВ (рис. 3.8), который используется как проходной изолятор при пе­реходе линии из одного помещения в другое.

Применение литой эпоксидной изоляции позволяет сильно упростить конструкцию и технологию производства по сравнению со сборными ТТ с фарфоровой изоляцией. Первичная обмотка-стержень 4, магнитопро­воды 1 и крепежное кольцо 3 устанавливаются в специальную форму и заливаются жидкой смесью эпоксидной смолы, пылевидного кварце­вого песка и отвердителя. После затвердения и полимеризации эта смесь приобретает высокие электрические и механические свойства. По сути дела ТТ (рис. 3.8) имеет два независимых трансфор­матора, параметры которых могут быть различными. Магнитопроводы трансформатора выполняются в виде двух тороидальных сердечников, навитых лентой из текстурованного материала, например, марки 3413. Если вторичная обмотка 2 равномерно распределена на тороидаль­ном магнитопроводе, то ее индуктивное сопротивление х₂ в схеме за­мещения равно нулю, что позволяет снизить погрешность измерения ТТ.

Р и с. 3.8.Одновитковый ТТ типа ТПОЛ-Ю

Конструкция допускает установку нескольких ТТ с разными парамет­рами на одной стержневой первичной обмотке.

Электродинамическая стойкость одновитковых ТТ достаточно высо­ка, так как на первичную обмотку действуют силы только от подво­дящих шин и соседних фаз.

При трехфазном КЗ между стержнями первичных обмоток соседних фаз возникает электродинамическая сила. Кроме того, на конец стержня передаются силы, действующие на под­водящую шину, которая одним своим концом укреплена па ближайшем опорном изоляторе, вторым – на стержне ТТ. Электродинамическая стойкость, гарантированная заводом-изготовителем, относится обычно к определенному расстоянию между фазами и определенной длине шины, соединяющей опорный изолятор с ТТ. Недостаток одновитковых ТТ заключается в большой погрешности при малом номинальном первичном токе, поскольку . Поэтому одновитковые ТТ применяются при токах 400 А и более. При первичном токе более 2 кА применяются одновитковые шинные трансформаторы тока. В качестве первичной обмотки используется пакет шин распределитель­ного устройства, который проходит через окно магнитопровода. Элек­тродинамическая стойкость такого ТТ определяется механической прочностью шин, их креплением и заводом не нормируется.

Одновитковые ТТ могут быть встроенными. В этом случае используется токоведущий стержень и изолятор другого аппарата или оборудования (выключателя, си­лового трансформатора, проходного изолятора и др.). Расположение четырех таких трансформаторов в выключателе показано на рис. 3.9. Применение встроенных ТТ дает боль­шой экономический эффект. На проходном изолято­ре встроенных ТТ, как пра­вило, устанавливается не­сколько, вторичные об­мотки которых можно соединять последовательно или параллельно.

При последовательном соеди­нении вторичных обмоток коэффициент трансформации не изменяется, так как удваивается число первичных и вторичных витков. Вторичный ток сохраняется неизменным, а вторичная ЭДС удваивается, что позво­ляет увеличить в 2 раза вторичную мощность. Для встроенных ТТ это очень важно, так как они удалены от реле и измерительных приборов, благодаря чему сопротивление соединяющих проводов получается боль­шим. При параллельном соединении вторичных обмоток коэффициент трансформации уменьшается, так как первичные обмотки включаются последовательно. При этом вторичный ток двух ТТ увеличивается. Это дает возможность получить вторичный ток, приближающийся к стан­дартному значению 5 А, например, при первичном токе =200 A.

Вторичные обмотки имеют отводы, которые позволяют в неболь­шом диапазоне регулировать коэффициент трансформации.

При малых первичных токах (ниже 400 А) для получения высокого класса точности применяются многовитковые ТТ. При любом значении первичного тока необходимая для данного класса точности первичная МДС F_t получается за счет увеличения числа витков первичной обмот­ки . На рис. 3.9 показан многовитковый трансформатор на напря­жение 10 кВ. На прямоугольном шихтованном магнитопроводе 1 рас­положена вторичная обмотка 2. Первичная обмотка 3 выполняется из медной шины. Первичная обмотка выведена на контакты 5, вторичная – на контакты 6. Все детали ТТ залиты эпоксидным компаундом 4.

При КЗ на витки первичной обмотки действуют разрывающие электродинамические силы, что снижает стойкость ТТ. Кроме того, на пер­вичной обмотке из-за ее относительно большой индуктивности может появиться значительное падение напряжения. Это является недостатком данной конструкции ТТ.

При напряжении 35 кВ и выше для открытых установок применя­ются ТТ с масляной изоляцией. Наиболее распространены ТТ так назы­ваемого звеньевого типа (рис. 3.10). Три тороидальных магнитопровода 1 со вторичными обмотками 2 охвачены первичной обмоткой 4, выполняемой мягким многожильным проводом, и обычно имеют несколь­ко параллельных ветвей (на рис. 3.9 – две ветви).