3.4. 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 РЗ, 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 ε 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_к 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. Для выбора допустимой нагрузки при заданной кратности К_расч = I_к._paсч/I_1 TT 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_нам).

Выбор z_h по кривым предельной кратности К₁₀ = f(Z_н). 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_{1 расч max}, при котором для рассматриваемой РЗ погрешность ε не должна превышать 10%;

б) вычисляют максимальную кратность найденного первичного тока I_{1 расч max} по формуле

(3.11)

в) по заводской характеристике K₁₀ = f(Z) для данного типа ТТ и принятого коэффициента трансформации К_I определяют Z_н.доп для К_{расч тах};

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

Выбор Z_н по вольт-амперным характеристикам ТТ U₂ = f(I_2нам). При отсутствии сведений о погрешности ТТ его пригодность для данной РЗ и допустимую нагрузку вторичной цепи Z_н можно приближенно оценить по характеристике зависимости вторичного тока намагничивания I_2нам 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_нам во вторичной обмотке, который является I_нам, п оскольку первичная обмотка разомкнута. На основании полученных данных строится зависимость U₂ = f(I_2нам) (рис.3.7, б).

Вследствие малого значения сопротивления вторичной обмотки Z₂ принимается, что U₂ ≈ E₂, и тогда полученная характеристика может рассматриваться как зависимость Е₂ = f(I_2нам).

На основании этой характеристики можно определить значения Е₂ и I_2нам, при которых наступает насыщение (по точке Н – конец прямолинейной части), и, пользуясь формулой (3.9а), вычислить допустимую нагрузку Z_н.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_н.

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 намагничивания ТТ с соответствующим ростом погрешностей (ε и f_i) до 20% и 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_нам. Проверка надежности действия ИО при глубоком насыщении ТТ сводится к определению значения токовой погрешности при максимальной кратности тока КЗ К_mах = I_к тах/I_ном ТТ 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_нам, лает преувеличенные значения погрешности f_i, а значение допустимой нагрузки получается 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 B_t < B_s, при которой наступает глубокое насыщение магнитопровода, характеристика намагничивания представляется в виде вертикальной прямой (рис.3.8, а). При этом I_нам = 0 и I₂ = I^’₁ – работа ТТ считается идеальной.

При B_t > B_s магнитопровод ТТ насыщается, и дальнейшее изменение B_t прекращается независимо от значения I_нам. Характеристика намагничивания насыщенного ТТ изображается прямой линией, параллельной оси абсцисс, мало отличаясь от действительной характеристики намагничивания на ее участке за точкой перегиба (точка H) (рис.3.7). Схема замещения, характеризующая работу ТТ с ПХН, показана на рис.3.8, б. Ветвь намагничивания, соответствующая вертикальной прямой ПХН, должна иметь бесконечно большое сопротивление Х_нам = ∞, поскольку I_нам = 0, а при работе на горизонтальном участке ПХН Х_нам скачкообразно уменьшается до нуля. При этом е₂ = 0, I'_нам = I'₁. Поэтому ветвь намагничивания в схеме замещения заменяется рубильником S (рис.3.8, б). При работе ТТ в вертикальной части характеристики рубильник разомкнут (I_нам = 0), а в горизонтальной – замкнут (Х_нам= 0).

Кривые мгновенных значений (i₁, i₂, i_нам), напряжения (u₂) и магнитной индукции (В) приведены на рис.3.9. Первичный ток i₁ определяется параметрами сети и имеет форму синусоиды. Вторичный ток i₂ на участках А совпадает с i₁ пока B_t<B_s. B момент времени t₁ индукция B_t достигает значения B_s (насыщения), рубильник S в схеме замещения (рис.3.8, б) замыкается, i₂→ 0. Ток i₂ затухает по экспоненциальному закону с постоянной времени вторичной цепи τ = L₂/R₂. В момент времени t₂ (когда B_t < B_s) магнитопровод ненасыщен, и ток i₂ снова равен i'₁. В следующем полупериоде процесс повторяется. Методика на основе ПХН позволяет определить формы кривых I₂ и I_нам и найти значение I₁ при котором наступает насыщение (момент t₁) и значение I_нам при заданном значении I_1max.

Д ля упрощения расчета погрешностей ТТ вводится коэффициент А, являющийся обобщенным параметром, определяющим при ε = 10% = const и соs φ = 0,8 значение токовой погрешности. Зависимость f_i, = F(A) приведена на рис.3.10. Она построена с использованием обобщенных характеристик f_i = F'(I_lуд), 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_1max, для которого ищется значение f_i, к первичному току I_{расч 10}, определенному по кривым предельной кратности для заданной нагрузки Z_н, при ε = 10%, cos φ = 0,8; А = I_1max/ I_{1расч 10}, или в виде отношения кратностей этих токов: А = К_1mах/К_{1расч 10}.

Пользуясь зависимостью f_i, = F(A), можно по заданному значению К_1mах находить значение f_i, или по заданному f_i, определять значение К_1mах. В обоих случаях для определения значения К_расч10 необходимо иметь кривые предельной кратности К₁₀ = f(Z_н.доп). Для реле разных типов допустимы разные значения f_i доп при работе ТТ в условиях глубокого насыщения: 50% – для РТ-40, РТ-80 и РТ-90, направленных PC (индукционные и полупроводниковые с нуль-индикатором на магнитоэлектрическом реле); 40% – для РТ-40 (выпуск до 1969 г.) и РБМ с жесткими упорами и т.д.

При известном f_i доп для конкретных реле и устройств РЗ из рис.3.10 определяется А и вычисляется отношение К_mах/А. Если К_mах/А > К_расч, то в качестве расчетной кратности принимается К_расч = К_mах/А.

Если К_mах/А < К_расч, то в качестве расчетной сохраняется кратность К_расч.