Лабораторна робота №1 дослідження схем з'єднання вторинних обмоток трансформаторів струму та реле

Виконав: Скудря М.О.

Мета роботи. Дослідити типові схеми з'єднання вторинних обмоток трансформаторів струму та реле в пристроях релейного захисту, відзначити їх особливості та області використання.

Теоретичні відомості

Трансформатори струму (ТС) призначені:

• для зменшення великих значень струмів до величин допустимих для роботи схем релейного захисту;.

• для електричного відділення схем релейного захисту від силових кіл високої напруги.

ТС мають стандартний номінальний вторинний струм Iном = 5 А при будь-яких значеннях номінального первинного струму I_1ном= 50, 75, 100, 150,

200, 300, 400, 500, 600 А. Звідси їхній коефіцієнт трансформації дорівнює ^Кта ^{= I}1ном^/I2ном ^{= I}1ном^/5А.

ТС складаються з магнітопроводу, на якому є первинна обмотка, включена в первинне коло послідовно із навантаженням і вторинна обмотка, до якої підключаються струмові котушки вторинних вимірювальних приладів і реле. Принцип дії ТС заснований на законі повного струму, законах Фарадея і Ленца.

Первинну обмотку ТС маркірують на його корпусі літерами Л1 і Л2, а вторинну - И1 та И2. Вторинну обмотку обов'язково заземлюють для забезпечення безпеки і захисту ізоляції приладів в разі пробою ізоляції між первинною і вторинною обмотками. обмоток. Для того, щоб виміри були досить точними, вторинна обмотка ТС, обмотки приладів і сполучні проводи повинні мати невеликий опір, оскільки вторинна обмотка ТС працює в режимі короткого замикання.

ТС випускаються із класом точності: 0,2 - для лабораторних вимірювань; 0,5 – для живлення приладів комерційного обліку; 1, 3 для живлення щитових приладів, 10 і Р - для живлення щитових реле захисту. Вторинний номінальний струм майже всіх ТС прийнятий рівним 5А.

Вторинні обмотки ТС, що включені в одну фазу, з'єднуються за двома схемами: паралельно і послідовно. Вони використовуються в разі застосування ТС, вбудованих в силові трансформатори і вимикачі. Навантаження на трансформатор струму за першою схемою включення в 2 рази менше, а по другій – більше в 2 рази, ніж при включенні на один ТС.

Трансформатори струму розрізняються:

• за родом встановлення – внутрішнього і зовнішнього (Н);

• за конструктивним виконанням – прохідні (П), котушкові (К), вбудовані (В) і так далі;

• за кількістю витків первинної обмотки – багатовиткові, одновиткові (О), шинні (Ш);

• за видом основної ізоляції - із фарфоровою (Ф) ізоляцією, з литою (Л) ізоляцією з епоксидних смол;

• за кількістю осердь – з одним, з двома, з багатьма осердям.

Вторинні обмотки низьковольтних ТС в схемах обліку електроенергії з'єднують із первинними (перемичка між виводами Л1 і И1) для підведення до лічильника напруги контрольованої трифазної мережі по тих же проводах, що живлять струмові котушки лічильника.

Для контролю величини струму в трифазній мережі достатньо мати один ТС в одній із фаз і один амперметр.

При здійсненні захисту застосовуються різні схеми з'єднання ТС і обмоток реле, які характеризуються коефіцієнтом схеми.

Для побудови струмових захистів використовують наступні схеми включення струмових реле до вторинних обмоток трансформаторів струму: схема «повної зірки»; схема «неповної зірки»; схема «вісімки» на різницю струмів; схема «повного трикутника»; схема «розімкнутого трикутника».

Види коротких замикань

При побудові векторних діаграм приймається наступне допущення: струм у непошкодженій фазі – відсутній.

а) Трифазне замикання. Векторна діаграма відповідає зображеній на рис. 1.1. Вектори фазних струмів рівні по величині і зсунуті один відносно одного на кут 120^о. У векторній діаграмі струми тільки прямої послідовності.

3I₀  I_a  I_b  I_c  0

Ibo120Ic120^o120^oIa

_а) б)

Рис. 1.1. Векторна діаграма трифазного КЗ.

б) Двофазні замикання в мережах з ізольованою та глухозаземленою нейтраллю, двофазні замикання на землю в мережах з ізольованої нейтраллю. Векторна діаграма відповідає зображеній на рис. 1.2. Вектори фазних струмів рівні за величиною і зсунуті один відносно одного на кут 180^о. У векторній діаграмі струми прямої та оберненої послідовностей.

3I₀  I_a  I_b  I_c  0

Ia

Ib

б)

а)

Рис. 1.2. Векторна діаграма двофазного КЗ.

в) Двофазні замикання на землю в мережах з глухозаземленою нейтраллю. Векторна діаграма відповідає зображеній на рис. 1.3. Вектори фазних струмів у загальному випадку не рівні за величиною і зсунуті один відносно одного на кут від 60^о до 180^о. У векторній діаграмі струми прямої, оберненої та нульової послідовностей.

3I₀  I_a  I_b  I_c  0

IbIc

а) _б)

Рис. 1.3. Векторна діаграма двофазного КЗ на землю.

г) Однофазне замикання на землю в мережах з глухозаземленою нейтраллю. Векторна діаграма відповідає зображеній на рис. 1.4. У векторній діаграмі струми прямої, оберненої та нульової послідовностей.

3I₀  I_a  I_b  I_c  0

Ic

_а) б)

Рис. 1.4. Векторна діаграма однофазного КЗ.

Всі розглянуті вище види пошкоджень характеризуються значними струмами, небезпечними для життя людей та приводять до пошкодження обладнання і порушення електропостачання споживачів. Тому пристрої релейного захисту працюють на вимикання вимикача аварійної ділянки.

д) Однофазне замикання на землю в мережах з ізольованою нейтраллю. Векторна діаграма відповідає зображеній на рис. 1.5. У векторній діаграмі струми прямої, оберненої та нульової послідовностей.

3I₀  I_a  I_b  I_c  0

На відміну від попереднього випадку для даного пошкодження відсутній прямий шлях для проходження струму КЗ. Незначні за величиною струми КЗ замикаються через наведені ємності між непошкодженими фазами та землею. Для цього виду КЗ спотворюються фазні напруги, лінійні залишаються незмінними й безперебійність роботи споживачів не порушується, небезпека для життя людей відсутня. Внаслідок цього захисти працюють на сигнал, а не на вимикання.

Ic

б)

а)

Рис. 1.5. Векторна діаграма однофазного КЗ в мережах з ізольованою

нейтраллю.

Схеми з’єднань трансформаторів струму.

Для живлення пристроїв релейного захисту струмом мережі використовують наступні типові схеми з'єднання трансформаторів струму (ТС) і обмоток реле (Р):

• схема повної зірки;

• схема неповної зірки;

• схема з'єднання ТС в трикутник, а обмоток реле в зірку;

• схема з двома ТС та одним реле, що ввімкнено на різницю струмів двох фаз;

• схема з увімкненням реле на суму струмів трьох фаз (фільтр струмів нульової послідовності).

Стисло розглянемо ці схеми. а) Схема повної зірки (рис .1.6):

Ia I Р1 b i a ib i I Р2 c c Р3 Р4 3I0	Ia P1 i a i I P2 c c P3 P4 3I0
а)	б)

^{P1P2P3P4Iaia I}a

в)

Рис. 1.6. Струморозподіл для схеми повної зірки при а) трифазному КЗ; б) двофазному КЗ; в) однофазному КЗ

Нормальному режиму і режиму трифазного короткого замикання (КЗ) відповідає струморозподіл, зображений на рис. 1.6.а. Струми в реле Р1, Р2, Р3 дорівнюють вторинним струмам ТС відповідних фаз. В нульовому провіднику протікає геометрична сума струмів фаз, яка дорівнює 0:

^IP 4  3I₀  I_a  I_b  I_c ^{ 0} _.

При двофазному КЗ (наприклад, між фазами А і С) струм КЗ проходить тільки в двох пошкоджених фазах (А, С) і відповідних реле (Р1, Р3), струм в непошкодженій фазі відсутній (Iс=0). Струм в нульовому дроті дорівнює сумі струмів двох пошкоджених фаз (Іа, Іс), а оскільки вони однакові, але протилежні по фазі, то струм у нульовому дроті також відсутній:

I_{P 4}  3I₀  I_a  I_c  0 _.

При однофазних КЗ (фаза А) первинний струм КЗ проходить тільки по одній пошкодженій фазі. Відповідний йому вторинний струм проходить тільки через одне реле й замикається по нульовому дроту:

3I₀  I_{P 4}  I_a  0 _.

При двофазних КЗ на землю струм проходить в двох реле, ввімкнених на пошкоджені фази (А, В). В нульовому дроті проходить геометрична сума _{цих струмів} ^{3I0  IP 4  Ia  Ib  0} , яка завжди відмінна від 0, оскільки

струми Іа і Ів при цьому пошкодженні зсунуті на деякий кут.

Відзначимо, що струм у нульовому провіднику буде протікати тільки при КЗ на землю. Реле Р4 не буде реагувати на навантаження та міжфазні КЗ без землі. Нульовий провідник схеми зірки є фільтром струмів нульової послідовності.

Відношення струму в реле Ір до струму в фазі (вторинний струм ТС) Іф



К

^{носить назву коефіцієнта схеми: І} р ^сх І

ф _.

Коефіцієнт схеми характеризує схеми з'єднання ТС та Р, і його враховують при розрахунках уставок та чутливості захистів.

В розглянутій схемі реле фаз реагують на всі види КЗ, а реле в нульовому дроті - тільки на КЗ на землю. Схема повної зірки використовується для захистів, що діють при всіх видах КЗ. Струм в реле дорівнює струму в фазі, тому Ксх = 1.

^{P4P3IciciaP1I}a

^{P4P3IcicibiaP1I}a

^-Ib

б) Схема неповної зірки (рис. 1.7)

_а) б)

^P4P3iaP1Ia

^Ia

в)

Рис. 1.7. Струморозподіл для схеми неповної зірки при а) трифазному КЗ; б) двофазному КЗ; в) однофазному КЗ

При трифазному КЗ і нормальному режимі в реле Р1, РЗ проходять вторинні струми відповідних фаз Іа = Іа/Кт, Іс=Іс/Кт , (Кт - коефіцієнт трансформації ТС), в зворотному ж дроті струм дорівнює їх геометричній сумі, тобто дорівнює струму фази, що відсутня у вторинному ланцюгу Ізв=Іа+Іс=-Ів.

У випадку двофазного КЗ струми з'являються в одному або двох реле, в залежності від того, які фази пошкоджено. Струм у зворотному дроті Ізв=0 у випадку двофазного КЗ між фазами А і С, і Ізв=Іа(Іс) при замиканні АВ або ВС.

При однофазному замиканні фаз А або С в реле Р1(РЗ), Р4 протікають струми фаз, при замиканні на землю фази В струми в схемі захисту не протікають ( у фазі В відсутній ТС).

Таким чином, схема неповної зірки реагує не на всі випадки однофазного КЗ і може використовуватись тільки для захисту від міжфазних КЗ. Застосовується у мережах з ізольованою нейтраллю. Коефіцієнт схеми Ксх = 1.

в) Схема з'єднання трансформаторів струму в трикутник, а обмоток реле в зірку (Рис. 1.8)

На рис. 1.8.а приведено струморозподіл для нормального режиму роботи електричної мережі і для трифазного КЗ. Для точок 1, 2, 3 згідно закону Кірхгофа можна записати вирази для струмів, які проходять через реле Р1, Р2, Р3:

I_P1  I_a  I_b  3I_ф

I_{P 2}  I_b  I_c  3I_ф

1:

I_P3  I_c  I_a  3I_ф

2:

3:

i a ib ic I P1 P1 IP 2 P2 IP3 P3 1 2 3 Ia Ib Ic Ib Ic Ia	-Ib Ia I  I  I  3I 30o P1 a b ф IP2  Ib  Ic  3Iф Ic 30o Ib -Ic 30o -Ia IP3  Ic  Ia  3Iф
а)	б)

Рис. 1.8. Схема з’єднань ТС в трикутник, а обмоток реле в зірку а) струморозподіл при трифазному КЗ; б) векторна діаграма

3

Із струморозподілу на рис. 1.8 видно, що в кожному реле тече струм, рівний геометричній різниці струмів двох фаз. Звідси, при навантаженні і

трифазному КЗ в реле будуть протікати лінійні струми, які в струмів фаз й зсунуті відносно них по фазі на 30 , тобто Ксх=

разів більші

3

.

При двофазному КЗ струм в реле Р1, Р2, РЗ в залежності від пошкод- жених фаз може дорівнювати струму фази (Ксх =1) або перевищувати його в 2 рази (Ксх = 2). При однофазному КЗ через два відповідні реле протікає струм фази (Ксх=1).

3

Таким чином, ця схема захисту реагує на всі види КЗ, коефіцієнт схеми залежить від виду КЗ (зазвичай цю схему характеризують коефіцієнтом схеми при трифазному симетричному КЗ Ксх= ), струми нульової послідовності не виходять за межі трикутника ТС, тобто при КЗ на землю в реле потрапляє тільки частина струму КЗ (пряма та зворотна послідовності).

Описана вище схема використовується в основному для диференціальних та дистанційних захистів.

г) Схема з включенням реле на різницю струмів двох фаз (рис. 1.9)

I_P1  I_a  I_c

i a ib ic IP1 P1 Ic Ia	-Ic I a IP1  Ia  Ic  3Iф 30o Ic Ib
а)	б)

Рис. 1.9. Схема на різницю струмів

а) струморозподіл при трифазному КЗ; б) векторна діаграма

3

3

3

ТС звичайно встановлюються в двох крайніх фазах (А,С), їх вторинні обмотки з'єднуються різнойменними затискувачами, до яких підключається обмотка реле. При навантаженні та трифазному КЗ струм в реле дорівнює геометричній різниці струмів двох фаз Ір⁽³⁾ =Іа-Іс і перевищує фазний струм в

рази, тобто Ір^{(3) =} Іф, Ксх= .

Аналогічний аналіз струморозподілу показує, що при двофазному КЗ (АВ або ВС) через реле протікає струм тільки однієї фази Ір⁽²)=Іа(Іс)=Іф, Ксх=1. При двофазному КЗ між фазами А і С (рис. 1.9) в реле надходить два струми Іа і Іс, Оскільки у цьому випадку Ic= -Іа, то струм в реле буде дорівнювати Ір⁽²⁾=Іа-Іс =2Іа=2Іф, Ксх=2. Бачимо, що струм в реле, а отже, і чутливість схеми при різних видах КЗ будуть різними. У випадку однофазних КЗ на фазі, що не має трансформаторів струму (фаза В), струм в реле дорівнює нулю, тому дана схема не може використовуватись як захист від однофазних

КЗ. Вона може використовуватись тільки для захисту від міжфазних КЗ в тих випадках, коли вона забезпечує необхідну чутливість при двофазних КЗ. Вагомим недоліком схеми є те, що її неможливо використовувати як захист, що повинен діяти при КЗ за силовими трансформаторами із з'єднанням обмоток ^{Y / } , оскільки у цьому випадку при двофазному КЗ (АВ) струм в реле Ір=Іа-Іс буде дорівнювати нулю.

д) Схема з включенням реле в фільтр струмів нульової послідовності (рис.1.10)

i a ib ic Ia Ib Ic P1 3I0	I P1  Ia  Ia  Ic  0 Ia Ib Ic Ic Ib
а)	б)

Рис. 1.10. Схема фільтра струмів нульової послідовності а) струморозподіл при трифазному КЗ; б) векторна діаграма

Струм в реле дорівнює геометричній сумі вторинних струмів трьох фаз:

I_P1  I_a  I_b  I_c  3I_{0 .}

Струм в реле з'являється тільки при однофазних та двофазних КЗ на землю, тобто тільки при цих пошкодженнях з'являються Іо. Схема використовується для захисту від замикань на землю. При навантаженнях, трифазних та двофазних КЗ сума струмів фаз в реле дорівнює нулю і реле не діє.

Вмикання реле по схемі рис.1.10. рівносильне його ввімкненню в нульовий провід схеми повної зірки.

При спільній роботі ТС необхідно забезпечити правильне з’єднання їхніх вторинних обмоток. В протилежному випадку захист, який підключений до цих ТС, може «відмовити» або «хибно» спрацьовувати. Перевірку правильності з’єднання вторинних обмоток ТФ здійснюємо за схемою рис.1.11 Правильність підключення перевіряють за допомогою векторних діаграм.

а)	б)

Рис. 1.11. Схема досліду перевірки правильності з’єднанння вторинних

обмоток ТС

а) з’єднання однойменних затискачів; б) з’єднання різнойменних

затискачів.

З’єднаємо між собою однойменні затискачі виводів вторинних обмоток ТС (рис. 1.11,а) і побудуємо векторну діаграму струмів. При умові симетрії навантаження модуль вектора суми струмів рівний векторам складових. Відповідно правильно з’єднавши вторинні обмотки ТС отримаємо:

І₁  І₂  І₃

Тепер з’єднаємо між собою різнойменні затискачі вторинних обмоток ТС (рис.1.11,б). Модуль вектора різниці струмів рівний модулю вектора одного з вторинних струмів (при симетрії режиму), помноженому на √3.



Відповідно при з’єднані різнойменних затискачів вторинних обмоток ТС отримаємо: _{І  І} І₂

3

1 3

.

Рис.1.13. Дослідження режимів роботи трифазної схеми (схема з’єднання трансформаторів струму та обмоток реле у повну зірку).

Таблиця 1.1.

Результати досліджень схем з’єднання трансформаторів струму.

Схем а	Режим	Значення струму амперметрів, А							Ксх
		Струми, що протікають в фазах			Струми, що протікають в реле
		рА1	рА3	рА5	рА2	рА4	рА6	рА 7
Зірка/ зірка	Трифазне к.з.	4	4	4	2	2	2	0	1
	Двофазне к.з. між А і С	4	0	4	2	0	2	2	1
	Двофазне к.з. між В і С	0	4	4	0	2	2	2	1
	Двофазне к.з. між А і В	4	4	0	2	2	0	2	1
	Однофазне к.з.	4	0	0	2	0	0	2	1
Неп овна зірка	Трифазне к.з.	4	0	4	2	0	2	2	1
	Двофазне к.з. між А і С	4	0	4	2	0	2	2	1
	Двофазне к.з. між В і С	0	0	4	0	0	2	2	1
	Двофазне к.з. між А і В	4	0	0	2	0	0	2	1

Продовження таблиці 1.1.

Трикутник/ зірка	Трифазне к.з.	4	4	4	3.5	3.5	3.5	-	1.75
	Двофазне к.з. між А і С)	4	0	4	3.5	2	2	-	/3.1 .1
	Двофазне к.з. між В і С	0	4	4	2	3.5	3.5	-	1.1. /3
	Двофазне к.з. між А і В	4	4	0	2	3.5	2	-	1./3 .1
Різниця струмів двох фаз	Трифазне к.з.	4	4	4	3.5	-	-	-	/3
	Двофазне к.з. між А і С	4	0	4	4	-	-	-	2
	Двофазне к.з. між В і С	0	4	4	2	-	-	-	1
	Двофазне к.з. між А і В	4	4	0	2	-	-	-	1

Контрольні запитання