Voprosy_i_otvety_k_gosam / тт тн из релейки

4.6.Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Векторные диаграммы. Характеристики погрешностей.

Трансформаторы тока (ТТ)

ТТ состоит из стального сердечника из шихтованной ста­ли и двух обмоток первичной w₁ и вторичной w₂, причем w₁<<w₂. Первичная обмотка ТТ подключается последовательно в цепь защищаемого элемента, к вторичной обмотке присоединяются реле или измерительные приборы. Ток, протекающий по обмотке w₁ создает магнитный поток Ф₁, который индуцирует ток во вторичной обмотке I₂. Ток I₂, в свою очередь, создает магнитный поток Ф₂, направленный навстречу потоку Ф₁. Результирующий магнитный поток Ф_т = Ф₁–Ф₂.

Аналогичное выражение может быть записано для намагничивающих сил F = Iw, т.е.

F_т = F₁ – F₂; I_намw₁ = I₁w₁ – I₂w₂, где I_нам - ток намагничивания, обеспечивающий создание магнитного потока в сердечнике. Из последнего выражения делением всех членов уравнения на w₂ можно получить: или

где n_тв - витковый коэффициент трансформации.

Анализируя уравнение можно заметить, что расчетное значение тока I_2р = I₁/n_тв и действительное значение I₂ отличаются друг от друга. Величина I_1нам/n_тв вносит погреш­ность в величину и фазу тока I₂, поскольку не весь ток I₁ трансформируется во вторичную обмотку, что обуславливает наличие погрешностей в работе ТТ.

Для анализа погрешностей ТТ составим схему замещения и построим векторную диа­грамму. Схема замещения строятся при следующих допущениях (рис. 5);

- все магнитные связи заменены электрическими;

- параметры первичной обмотки приведены к числу витков вторичной обмотки;

- вектор тока I₂ повернут на 180° по сравнению с его действительным направлением;

Z₁ = Z₁/n_тт – сопротивление первичной обмотки, приведенное к w₂.

Z_нам = Z_нам/n_тт – сопротивление намагничивания, приведенное к w₂, I_нам, I₁ ток первичной обмотки и ток намагничивания, приведен­ные к w₂;

n_ТТ = I₁/I₂ = w₂/w₁;

Наличие I_нам обусловлено тем, что процесс трансформации происходит с затратой энергии, которая идет на создание магнитного потока в сердечнике, на гистерезис, на потери на вихревые токи и нагрев обмоток. Из схемы замещения видно, что I₁= I_нам+ I₂, т.е. I₂= I₁– I_нам т.е. вторичный ток отличается от первичного, что может исказить ра­боту защиты.

На основе схемы замещения (рис. 5) построим векторную диаграмму для анализа вели­чин токов (рис. б). Сначала строим I₂ затем U₂=I₂r_н+jI₂x_н. Величина ЭДС E₂=U₂+ I₂( r₂+jx₂). Магнитный поток Ф_н отстает от Е₂ на 90°. I_нам= I_{нам.акт}+ jI_нам.р; I₁= I_нам+ I₂,

Из векторной диаграммы видно, что I₁ отличается от I₂ по модулю и сдвинут на угол . Отсюда выделяют погрешности ТТ - токовую и угловую.

Токовая погрешность – это алгебраическая разность токов:

– абсолютная I=(I₁/n_Т)–I₂;

– относительная f_i=[I/(I₁/n_Т)]100%;

Угловая погрешность – величина угла , являющего углом сдвига между I₂ и I₁.

Чем больше величина I_нам, тем больше погрешности трансформатора тока. I_нам имеет две составляющие активную I_{нам.акт} и реактивную I_нам.р.

Ток I_{нам.акт} обусловлен активными потерями (гистерезис) и вихревыми токами. Для его снижения сердечники ТТ делают из шихтованной трансформаторной стали, поскольку величина этих потерь определяется качеством и параметрами стали.

Ток I_нам.р служит для создания магнитного потока Ф_Т, который индуцирует Е₂ во вторичной обмотке. Для снижения I_нам.р нужно снижать Ф_Т, который определяется как Ф_Т = (w₁/R_M)I_нам.р. В области до I_нам.р (см. рис.) изменение Ф_Т почти линейно, дальше малому изменению Ф_Т соответствует большое изме­нение I_нам.р, что в свою очередь приводит к увеличе­нию токовой погрешности (I и f_i) ТТ. Чтобы снизить эти погрешности нужно так выбирать параметры схем релейной защиты и автоматики, чтобы рабочая зона рас­полагалась в линейной части характеристики намагничивания ТТ.

Поэтому для уменьшения тока намагничивания, а, следовательно, и уменьшения по­грешности ТТ, необходимо снижать Z_н определяемое сопротивлением токовых обмоток реле, соединительных проводов и контактов, и уменьшать I₂.

Следует особо отметить необычность режимов холостого хода и короткого замыкания для ТТ. Так работа ТТ в режиме холостого хода, когда контакты И₁ – И₂ вторичной обмот­ки разомкнуты, является аварийной. В таком режиме I₂ = 0 и весь магнитный поток I₁w₁ идет на намагничивание сердечника. Размагничивающего действия вторичного потока I₂w₂ нет. Происходит перегрев стали магнитопровода. Кроме того, в со­ответствии со схемой замещения весь ток I₁ протекает через большое сопротивление Z_нам и создает э.д.с. Е₂, которая может достигать нескольких киловольт.

В устройствах релейной защиты обмотки трансформаторов тока и реле соединяются по определенным схемам. Поведение реле зависит от характера распределения тока по обмот­кам реле при различных видах к.з.

Все схемы соединения, кроме изображенной на рис. 8, д, принято характеризовать ко­эффициентом схемы К_сх, который определяется как отношение тока, протекающего по реле, к вторичному фазному току ТТ К_сх = I_р/I_2фтт. Данный коэффициент обычно равен 1 (для схем рис. 8, в и 8, б) или (для схем рис. 8, в и 8, г).

Рис. 8. Схемы соединения трансформаторов тока и обмоток реле

При выполнении МТЗ и токовых отсечек наиболее часто применяют следующие схемы:

1. Трехфазная трехрелейная схема полной звезды для защит сетей с глухозаземленной нейтралью от всех видов замыканий (рис. 8, a).

2. Двухфазная двухрелейная (трехрелейная) схема в качестве защиты от междуфазных замыканий в сетях с изолированной нейтралью (рис. 8, б).

3. Двухфазная однорелейная схема в качестве защиты от междуфазных к.з. для неот­ветственных потребителей (рис. 8, в).

4. Схема соединения ТТ в треугольник, а реле - в звезду - в дистанционных и диффе­ренциальных защитах трансформаторов от всех видов к.з. (рис. 8, г).

5. Фильтр токов нулевой последовательности для выполнения защит от замыканий на землю в сети с глухозаземленной нейтралью (рис. 8, д).

Для выбора возможности применения какой-либо из приведенных на рис. 8 схем со­единения необходимо провести анализ поведения реле в выбранной схеме при различных видах к.з. Для этого на выбранную схему соединения наносят первичные токи, соответст­вующие им вторичные токи ТТ и затем определяют направление и величину тока, проте­кающего по каждому реле.

П

Рис. 9. Распределение токов при различных видах к.з.: а) трехфазное к.з.; б) двухфазное к.з. между фазами АС

роанализировав трех­фазные, двухфазные и одно­фазные к.з. для схемы, приве­денной на рис. 9, очевидно, что на трехфазные и двухфаз­ные к.з. реагируют оба реле или одно из них. При одно­фазном к.з. в фазе В нет тока ни в одном из реле. Следовательно, для защиты от одно-фазных к.з. данную схему применять нельзя, а для междуфазных к.з. применение ее возможно.

Трансформаторы напряжения (ТН)

По принципу действия ТН аналогичен силовому трансформатору, но причем w₁>>w₂. Введем обозначение n_ТН = U₁/U_2хх - коэффициент трансформации ТН. Схема замещения ТН анало­гична схеме замещения ТТ и построена при тех же самых допущениях (рис. 10).

Построим векторную диаграмму для иллюстрации погрешностей ТН. Построение век­торной диаграммы начинается с U₂ и I₂. Затем строят E₂=U₂+ I₂( r₂+jx₂). Поток Ф_т отстает от E₂ на 90°. Из схемы замещения I₁= I_нам+ I₂, затем можно построить U₁=E₂+ I₁(r₁+jx₁).

U₂ отличается от U₁ по модулю и сдвинуто на угол . Погрешность по модулю

U = U₁ – U₂ = I₂Z₂+ I₁ Z₁ = I₂Z₂+ (I_нам+ I₂) Z₁ = I₂(Z₂+Z₁)+ I_намZ₁

Отсюда видно, что для снижения погрешности ТН необходимо уменьшать сопротивле­ние обмоток w₁ и w₂ и снижать ток намагничивания I_нам и ток I₂.

Погрешность ТН может быть абсолютной по напряжению U= U₁–U₂; и относительная f_u=[U/ U₁]100%; угловой – ввеличина угла .

Д

Рис. 10. Схема замещения и векторная диаграмма

Рис. 11. Схемы соединения трансформаторов напряжения.

ля питания цепей релейной защиты, автоматики и измерения ТН соединяются по оп­ределенным схемам. Выбор схемы зависит от того, какое напряжение нужно - фазное, ли­нейное или напряжение нулевой последовательности. Наиболее часто применяемые схемы соединения приведены на рис. 11.