14. Выбор и проверка измерительных трансформаторов в схемах энергоустановок.

Проблему согласования больших значений величин первичной сети с контролирующими их приборами выполняют с помощью измерительных трансформаторов тока и напряжения, которые уменьшают соответствующие контролируемые параметры (I или U) до приемлемых величины и изолируют первичную цепь от вторичной, где подключаются приборы.

14.1 Выбор и проверка измерительных трансформаторов тока (ta).

Трансформаторы тока (ТТ) устанавливают во всех цепях (цепи генераторов, трансформаторов, линий и пр.). Состав измерительных приборы, подключаемых к ТТ зависит от конкретной цепи и выбирается согласно рекомендациям предыдущего раздела 13. В первую очередь это будут амперметры и приборы, для работы которых необходима информация о токе и напряжении: ваттметры, варметры, счетчики активной и реактивной энергии.

ТТ являются однофазными аппаратами и могут быть установлены в одну, две или три фазы, как это показано на рис. 14.1. Обычно в цепях 6 – 10 кВ ТТ устанавливают в двух фазах по схеме неполной звезды, при напряжении 35 кВ и выше – в трех фазах, по схеме полной звезды.

Рис. 14.1 Схемы соединения измерительных трансформаторов тока и приборов (показаны только амперметры): а – включение в одну фазу; б – включение в неполную звезду; в - включение в полную звезду

Ниже в таблице приводится набор параметров, которыми характеризуются трансформаторы тока

Наименование параметра	Обозначение параметра
Номинальное напряжение	Uном , кВ
Номинальный первичный ток	I1ном,, А
Номинальный вторичный ток	I2ном = 1 А; 5 А
Ток динамической стойкости	iдин , кА
Ток термической стойкости	Iтс , кА
Время термической стойкости	tтс , с
Вторичное номинальное сопротивление	z2ном, Ом

Выбор трансформаторов тока при проектировании энергоустановок заключается в выборе типа трансформатора, проверке на электродинамическую и термическую стойкость, определении ожидаемой вторичной нагрузки Z₂ и сопоставлении ее с номинальной в заданном классе точности Z_2hом.

Условия выбора трансформаторов тока (ТТ):

1. В нагрузочном режиме трансформатор тока должен неограниченно долго выдерживать воздействие первичного номинального тока I_1ном и номинального напряжения U_ном, т.е.

U_ном≥U_уст и I_1ном≥I_{раб.форс},

где I_{раб.форс} – рабочий форсированный ток в цепи ТТ (зависит от того, в цепи какого присоединения стоит ТТ), U_уст – напряжение установки, где применён ТТ.

Вторичный номинальный ток I_2ном может выбран 1А или 5А, в зависимости от дополнительных условий.

2. Проверка трансформатора тока на электродинамическую стойкость.

Электродинамическая стойкости ТТ будет обеспечена, если будет выполнено условие:

i_дин≥i_у⁽³⁾,

где i_дин – амплитуда предельного сквозного тока (тока динамической стойкости), который ТТ выдерживает по условию механической прочности, а i_у⁽³⁾ –значение ударного тока при трёхфазном КЗ.

3. Проверка трансформатора тока на термическую стойкости.

Термическая стойкость ТТ будет обеспечена, если будет выполнено условие:

I_тс² t_тс ≥B_к, где I_тс — номинальный ток термической стойкости ТТ, t_тс - номинальное время термической стойкости; В_к — расчетный тепловой импульс в цепи ТТ (методика расчета В_к рассматривалась в разделе 9).

4. Проверка трансформатора тока по работе в заданном классе точности.

Трансформаторы тока характеризуются токовой погрешностью f_i=(I₂K—I₁)100/I₁ (в процентах), где I₁ и I₂ – токи первичной и вторичной обмоток ТТ, а K=I_1ном/I_2ном - коэффициент трансформации ТТ.

В зависимости от токовой погрешности измерительные трансформаторы тока разделены на пять классов точности: 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Наименование класса точности соответствует предельной токовой погрешности трансформатора тока при первичном токе, равном 1—1,2 номинального. Для лабораторных измерений предназначены трансформаторы тока класса точности 0,2, для присоединений счетчиков электроэнергии — класса 0,5, для присоединения щитовых измерительных приборов — классов 1 и 3. Класс 10 применяется для присоединения устройств релейной защиты.

При одном и том же первичном токе I₁ токовая погрешность ТТ зависит от сопротивления вторичной нагрузки Z₂, чем оно больше тем больше погрешность. Чтобы ТТ работал в заданном классе точности необходимо выполнить условие:

Z₂≤ Z_2hом (14.1),

где Z_2hом - номинальная нагрузка трансформатора тока при работе в заданном классе точности (выраженная в Омах, дается в каталогах на ТТ).

Рассмотрим подробнее, как рассчитывается нагрузка Z₂. Индуктивное сопротивление токовых цепей невелико, поэтому можно принять Z₂ ≈r₂. Вторичная нагрузка состоит из сопротивления приборов (r_приб), соединительных проводов (r_пр) и переходного сопротивления контактов в местах подключения приборов (r_к):

Z₂=r_приб+r_пр +r_к

Сопротивление приборов r_приб=S_приб/I²_2ном, где S_приб — мощность, потребляемая приборами в наиболее нагруженной фазе.

Сопротивление контактов r_к принимают равным 0,05 Ом при двух-трех и 0,1 Ом — при большем числе приборов.

Таким образом, при заданном составе приборов, удовлетворить условие (14.1) можно только за счет площади сечения соединительных проводов r_пр.

Зная Z_2hом, определяем допустимое сопротивление r_пр= Z_2hом – r_приб-r_к и площадь сечения провода S=ρl_расч/r_пр, где ρ — удельное сопротивление материала провода; l_расч— расчетная длина, зависящая от схемы соединения трансформатора тока и расстояния l от трансформаторов тока до приборов: при включении в неполную звезду l_расч = √З l (рис.14.1б),при включении в звезду l_расч= l (рис.14.1в); при включении в одну фазу l_расч=2l (рис.14.1а).

При реальном проектировании расстояния l известно, но при учебном проектировании это расстояние может быть не задано и тогда для разных присоединений принимается приблизительно следующая длина соединительных проводов l (в метрах):

Все цепи ГРУ 6—10 кВ, кроме линий к потребителям . 40—60

Линии 6—10 кВ к потребителям . 4—6

Цепи генераторного напряжения блочных станций 20—40

Все цепи РУ 35 кВ 60—75

Все цепи РУ 110 кВ 75—100

Все цепи РУ 220 кВ 100—150

Все цепи РУ 330—500 кВ 150—175

Для подстанций указанные длины снижают на 15—20%.

В качестве соединительных проводников применяют контрольные четырехжильные кабели (три фазных жилы и жила обратного проводника). Их сопротивление зависит от материала и сечения жил. Кабели с медными жилами (удельное сопротивление ρ=0,0175 Ом мм²/м) применяют во вторичных цепях мощных электростанций с высшим напряжением 220 кВ и выше. Во вторичных цепях остальных электроустановок используют кабели с алюминиевыми жилами (удельное сопротивление ρ=0,028 Ом • мм²/м). По условию механической прочности сечение медных жил должно быть не менее 1,5 мм², а алюминиевых жил — не менее 2,5 мм². Если в число подключаемых измерительных приборов входят счетчики, предназначенные для денежных расчетов, то минимальные сечения жил увеличивают до 2,5 мм² для медных жил и до 4 мм² для алюминиевых жил.