2. Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Требования к измерительным преобразователям, схемы включения.

Наиболее распространенными измерительными преобразователями являются электромагнитные трансформаторы тока и напряжения.

Трансформаторы тока питают цепи защиты током сети и выполняют роль датчика, через который поступает информация к измерительным органам устройств релейной защиты. От точности этой информации зависит надежная и правильная работа релейной защиты. Поэтому основным требованием к трансформаторам тока является точность трансформации с погрешностями, не превышающими допустимых значений.

Принцип действия. Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь контролируемого тока (рис.1 слева). Вторичная обмотка замыкается на сопротивление нагрузки , состоящее из последовательно включенных реле и различных приборов. Ток , проходящий по виткам первичной обмотки w₁, и ток , индуктированный во вторичной обмотке w₂, создают намагничивающие силы (н. с), которые вызывают магнитные потоки и , замыкающиеся по стальному магнитопроводу 1. Намагничивающие силы и создаваемые ими магнитные потоки геометрически складываются, образуя результирующую н. с. и результирующий магнитный поток трансформатора :

Поток Ф_т, называемый рабочим или основным, пронизывает обе обмотки и наводит во вторичной обмотке ЭДС , которая создает в замкнутой цепи вторичной обмотки ток I₂. Поток Фт создается н. с. следовательно, током . Последний является частью тока и называется намагничивающим током.

Рисунок 1

Трансформаторы тока, предназначенные для питания схем релейной защиты, работают в режиме коротких замыканий или перегрузок оборудования, когда первичные токи значительно превышают номинальные. Такие условия работы связаны с увеличенным значением погрешностей. И хотя сердечники трансформаторов тока для устройств релейной защиты выполняют из высококачественной электротехнической стали, насыщающейся при больших кратностях тока, обязательным условием возможности использования трансформатора тока является его проверка на допустимую погрешность. Согласно нормативным требованиям, погрешность трансформаторов тока в режиме работы защиты не должна превышать 10 %.

В отличие от силовых трансформаторов, трансформаторы тока работают в условиях, близких к режиму КЗ вторичных выводов. При размыкании вторичной обмотки весь первичный ток переходит в ветвь намагничивания, и трансформатор переходит в режим глубокого насыщения (нагревается магнитопровод, возникают опасные перенапряжения). Поэтому работа трансформатора тока с разомкнутой вторичной обмоткой недопустима. По условиям электробезопасности вторичные обмотки трансформаторов тока заземляются.

Трансформатор напряжения представляет собой сердечник, набранный из пластин электротехнической стали, с размещенными на нем первичной и вторичной обмотками:

Рисунок 2

Первичная обмотка , имеющая большое число витков (несколько тысяч), подключается параллельно силовой сети, к вторичной обмотке подключаются измерительные приборы, цепи защит и сигнализации. Преобразование напряжения до величины определяется соотношением витков первичной и вторичной обмоток:

Отношение чисел витков обмоток называется коэффициентом трансформации трансформатора напряжения:

Трансформаторы напряжения выполняются в однофазном и трехфазном исполнении. В зависимости от требуемой информации однофазные трансформаторы могут соединяться в различные схемы (Рис. 3).

Рисунок 3. Схемы соединения однофазных и трёхфазных трансформаторов напряжения

Для получения одного междуфазного напряжения используется схема, представленная на Рис. 3(б); для получения двух или трех междуфазных напряжений применяется схема неполной звезды (Рис.3 (в)). На Рис.3 (а) приведено соединение трех трансформаторов напряжения в схему звезды. Эта схема используется для получения информации о фазных или междуфазных напряжениях. Для получения напряжения нулевой последовательности наряду с фазным и междуфазным применяются трансформаторы напряжения, имеющие две вторичные обмотки. Одна из вторичных обмоток соединяется в звезду, другая - в разомкнутый треугольник (Рис. 4). Вторичные обмотки трансформаторов напряжения обязательно заземляются для обеспечения безопасности персонала при попадании высокого напряжения во вторичные цепи. При соединении вторичной обмотки в звезду заземляется нулевая точка, в других случаях - один из фазных проводов (обычно, фазы B).

Рисунок 4.

Схемы включения ТТ и ТН представлены на рисунке 5.

Рисунок 5

Требования к точности трансформаторов тока: Трансформаторы тока, питающие релейную защиту, должны работать с определенной точностью в пределах значений токов КЗ, на которые должна реагировать релейная защита. Эти токи, как правило, превышают номинальные токи трансформаторов тока и, следовательно, точная работа трансформаторов тока с погрешностью, не превосходящей определенного значения, должна обеспечиваться при первичных токах . На основании опыта эксплуатации и теоретического анализа принято, что для обеспечения правильной работы большинства устройств релейной защиты погрешность трансформаторов тока не должна превышать по току . Эти требования обеспечиваются, если полная погрешность трансформаторов тока , или иначе говоря, если ток намагничивания не превосходит 10% от тока , проходящего по трансформатору тока, т. е. .

Схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле в полную звезду: Трансформаторы тока устанавливаются во всех фазах. Вторичные обмотки трансформаторов тока и обмотки реле соединяются в звезду и их нулевые точки связываются одним проводом, называемым нулевым (рис. 5). В нулевую точку объединяются одноименные зажимы обмоток трансформаторов тока. При нормальном режиме и трехфазном к. з., как показано на рис. 5, в реле I, II и III проходят токи фаз

а в нулевом проводе – их геометрическая сумма:

Рисунок 5

которая при симметричных режимах равна нулю (как при наличии, так и отсутствии заземления в точках Н и К, рис. 3-10, а (на рисунке 6)).

При двухфазных к. з. ток к. з. проходит только в двух поврежденных фазах и соответственно в реле, подключенных к трансформаторам тока поврежденных фаз (рис. 3-10, б (на рисунке 6)), ток в неповрежденной фазе отсутствует. Согласно закону Кирхгофа

Рисунок 6

В действительности в результате неидентичности характеристик и погрешностей трансформаторов тока сумма вторичных токов в обоих случаях отличается от нуля. В нулевом проводе проходит некоторый остаточный ток, называемый током небаланса I_н.п. = I_нб. При нормальном режиме ток небаланса равен примерно 0,01—0,2 А. При к. з. в связи с увеличением токов намагничивания ток небаланса возрастает. При однофазных к. з. первичный ток к. з. проходит только по одной поврежденной фазе (рис. 3-10, в). Соответствующий ему вторичный ток проходит также только через одно реле и замыкается по нулевому проводу. При двухфазных к. з. на землю (рис. 3-10, г) ток проходит в двух реле, включенных на поврежденные фазы (например, В и С). В нулевом проводе проходит геометрическая сумма этих токов, всегда отличная от нуля, что следует из их векторной диаграммы. При двойном замыкании на землю в разных точках прохождение токов в сети показано на рис. 3-10, д. На участке между местами замыкания на землю условия аналогичны однофазному к. з., а между источником питания и ближайшим к нему местом повреждения они соответствуют двухфазному к. з. Нулевой провод схемы звезды является фильтром токов нулевой последовательности. Ток I_н.п. определяется по (3-11). Токи прямой и обратной последовательностей, как видно из рис. 3-11, а, в нулевом проводе не проходят, так как векторы каждой из этих систем дают в сумме нуль (рис. 3-11, б и в). Токи же нулевой последовательности (рис. 3-11, г) совпадают по фазе, и поэтому в нулевом проводе проходит утроенное значение этого тока I_н.п. = 3I₀. При нарушении (обрыве) вторичной цепи одного из трансформаторов тока в нулевом проводе возникает ток, равный току фазы, что может привести к непредусмотренному действию реле, установленного в нулевом проводе. В рассмотренной схеме реле, установленные в фазах, реагируют на все виды к. г., а реле в нулевом проводе — только на к. з. на землю. Схема соединения в звезду применяется в защитах, действующих при всех видах к. з. Ток в реле равен току в фазе, поэтому коэффициент схемы, определяемый выражением (3-11), к_сх = 1. Схема соединения трансформаторов тока в треугольник, а обмоток реле в звезду: Вторичные обмотки трансформаторов тока, соединенные последовательно разноименными выводами (рис. 3-13), образуют треугольник. Реле, соединенные в звезду, подключаются к вершинам этого треугольника. Из токораспределения на рис. 3-13 видно, что в каждом реле проходит ток, равный геометрической разности токов двух фаз:

Рисунок 7

Схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле в неполную звезду:

Рисунок 8

В случае однофазного КЗ фаз (А или С), в которых установлены трансформаторы тока, во вторичной обмотке трансформатора тока и обратном проводе проходит ток к. з. При замыкании на землю фазы В, в которой трансформатор тока не установлен, токи в схеме защиты не появляются; следовательно, схема неполной звезды реагирует не на все случаи однофазного к. з. и поэтому применяется только для защит, действующих при междуфазных повреждениях. Коэффициент схемы к_сх = 1.

Схема соединения трансформаторов тока в фильтр токов нулевой последовательности: Трансформаторы тока устанавливаются на трех фазах, одноименные зажимы вторичных обмоток соединяются параллельно и к ним подключаются обмотка реле (рис. 9). Из показанного на схеме распределения токов следует, что ток в реле равен геометрической сумме вторичных токов трех фаз:

Это значит, что и, следовательно, схема является фильтром токов нулевой последовательности. Ток в реле появляется только при однофазных и двухфазных КЗ на землю, так как только при этих повреждениях появляется . Поэтому схема применяется для защит от замыканий на землю.

Рисунок 9

Погрешности трансформаторов напряжения: Трансформатор напряжения работает с погрешностью, искажающей вторичное напряжение как по величине, так и по фазе. Допустимые погрешности нормируются при номинальном напряжении, соответственно, чему трансформаторы напряжения подразделяются на три класса: 0,5; 1 и 3. Один и тот же трансформатор напряжения может работать в различном классе точности в зависимости от величины его нагрузки.

Схема соединений трансформаторов напряжения в звезду. Схема, приведенная на рис. 10, а, предназначена для получения напряжения фаз относительно земли и междуфазных (линейных) напряжений. Три первичные обмотки трансформатора напряжения ТН₁ соединяются в звезду. Начала каждой обмотки (выводы А, В, С) присоединяются к соответствующей фазе линии, а концы X, У, Z объединяются в общую точку (нейтраль Н₁) и заземляются. При таком включении к каждой первичной обмотке ТН₁ подводится напряжение фазы линии относительно земли, которое затем трансформируется во вторичные обмотки. Концы вторичных обмоток ТН1₁ (х, у, z на рис. 6, а) также соединяются в звезду, нейтраль которой Н₂ связывается проводом с нулевой точкой Н₃ нагрузки (обмотки реле 1, 2, 3). В приведенной схеме нейтраль первичной обмотки (точка Н₁) жестко связана с землей и имеет поэтому ее потенциал, а нейтраль нагрузки Н₃ соединена с нейтралью вторичных обмоток Н₂ и всегда имеет потенциал точки Н₂. При такой схеме фазные напряжения на вторичной стороне соответствуют фазным напряжениям относительно земли первичной стороны. Если по каким-либо причинам первичная нейтраль трансформатора напряжения (Н₂) окажется разземленной, как показано на рис. 10, б, то ее потенциал станет отличным от потенциала земли.

Рисунок 10.

Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в открытый треугольник: Схема изображена на рис. 11. Она выполняется при помощи двух однофазных трансформаторов напряжения, включенных на два междуфазных напряжения, например, U_AB и U_BC. Напряжения на зажимах вторичных обмоток трансформаторов напряжения пропорциональны междуфазным напряжениям, подведенным с первичной стороны. Между проводами вторичной цепи включается реле. Схема позволяет получать три междуфазных напряжения: U_AB, U_BC, U_CA.

Рисунок 11

Схема соединения обмоток однофазных трансформаторов напряжения в фильтр напряжения нулевой последовательности: Схема выполняется посредством трех однофазных трансформаторов напряжения, как показано на рис. 12. Первичные обмотки соединены в звезду с заземленной нейтралью, а вторичные последовательно, образуя незамкнутый треугольник. К зажимам разомкнутой вершины треугольника присоединяются реле. Как следует из схемы, напряжение U_p на зажимах разомкнутого треугольника равно геометрической сумме напряжений вторичных обмоток:

Выражая вторичные напряжения через первичные, получаем:

Так как сумма трех фазных напряжений равна утроенному напряжению нулевой последовательности, то

Следовательно, на зажимах разомкнутого треугольника получается напряжение, пропорциональное напряжению нулевой последовательности. В нормальных условиях напряжения фаз симметричны и равны в сумме нулю. Поэтому в нормальном режиме . При к. з. без земли сумма фазных напряжений всегда равна нулю, ибо в этом случае векторы напряжений не содержат составляющей нулевой последовательности. Поэтому напряжение и в этом случае также равно нулю. И только при замыканиях на землю геометрическая сумма напряжений фаз относительно земли не равна нулю за счет появления в них составляющей U₀. В результате этого на зажимах разомкнутого треугольника появляется остаточное напряжение, равное . Напряжения прямой и обратной последовательностей образуют симметричные звезды и поэтому при суммировании в цепи разомкнутого треугольника всегда дают нуль на его зажимах. Таким образом, рассмотренная схема является фильтром, пропускающим только напряжение нулевой последовательности. Рассмотренная схема соединения очень удобна и получила широкое распространение на практике. Необходимым условием работы рассмотренной схемы в качестве фильтра U₀ является заземление нейтрали первичной обмотки ТН.

Рисунок 12