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 I1ном= 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600 А. Звідси їхній коефіцієнт трансформації дорівнює

Кта = I1ном/I2ном = I1ном/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

іреле. Принцип дії ТС заснований на законі повного струму, законах Фарадея

іЛенца.

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 120о. У векторній діаграмі струми тільки прямої послідовності.

3I0 Ia Ib Ic 0

Ia

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 180о. У векторній діаграмі струми прямої та оберненої послідовностей.

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 Ia Ib Ic 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:

IP 4 3I0 Ia Ic 0 .

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:

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

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

При двофазному КЗ струм в реле Р1, Р2, РЗ в залежності від пошкоджених 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).

Таким чином, ця схема захисту реагує на всі види КЗ, коефіцієнт схеми залежить від виду КЗ (зазвичай цю схему характеризують коефіцієнтом схеми при трифазному симетричному3 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)

Рис. 1.9. Схема на різницю струмів а) струморозподіл при трифазному КЗ; б) векторна діаграма

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

3 рази, тобто Ір(3) = 3 Іф, Ксх= 3.

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)

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:

IP1 Ia Ib Ic 3I0 .

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.

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:

3 .

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

Продовження таблиці 1.1.

Контрольні запитання

1.Призначення ТС в пристроях релейного захисту.

ТС в пристроях релейного захисту (ТС - це скорочення від "трансформатор струму") використовується для вимірювання струму, який проходить через електричний провід або провідник у системі електророзподілу чи

вторинній обмотці може впливати на точність вимірювань струму. Якщо навантаження занадто велике, це може призвести до зниження

точності ТС, а отже, інформація, яку він передає релейному захисту, може бути неточною.

2.Перевантаження ТС: Занадто велике навантаження вторинної обмотки може перевантажити ТС і призвести до його пошкодження або вихід з ладу.

Розімкнена вторинна обмотка ТС є аварійним режимом через наступні причини:

1.Загроза для безпеки: Розімкнення вторинної обмотки може призвести до невідпрацювання захисного пристрою (релейного захисту), оскільки він не отримує відповідної інформації про струм. Це може створити серйозну загрозу для безпеки електричних систем та персоналу, оскільки

релейний захист не сможе вчасно виявити і вимкнути небезпечні ситуації, такі як короткі замикання або перевантаження.

2.Втрата інформації: Розімкнення вторинної обмотки також означає втрату інформації про струм у вторинному колі. Це може ускладнити або навіть зробити неможливим виявлення і реакцію на неправильні умови в системі, що може призвести до пошкодження обладнання або виникнення аварійних ситуацій.

Отже, розімкнена вторинна обмотка ТС не є бажаним станом, і вона слід уникати в електричних системах. Завжди важливо забезпечувати надійність і правильну роботу ТС, а також враховувати навантаження на вторинній обмотці для забезпечення точних вимірювань та правильної роботи релейногозахисту.

3.Дати визначення коефіцієнта схеми. Вказати межі Ксх

всхемахз'єднання ТС і реле.

Коефіцієнт схеми (Ксх) - це параметр, який використовується для характеризації зв'язку між вторинним і первинним струмами (або напругами)у трансформаторі струму (ТС) або трансформаторі напруги (ТН).

Коефіцієнт схеми визначає, яким чином струм або напруга у вторинному колі ТС взаємодіють зі струмом або напругою у первинному колі.

Межі значень Ксх в схемах з'єднання ТС і реле зазвичай визначаються за наступними визначеннями:

1. Ксх для ТС (Трансформаторів струму):

Широкополосна схема (Ксх = 1): В цій схемі вважається, що вторинний струм ТС має однакову фазу та амплітуду зі струмом

упервинному колі при всіх частотах.

Схема з ферітом (Ксх < 1): В цій схемі вторинний струм ТС може мати затримку фази або меншу амплітуду порівняно зі струмом у первинному колі через вплив індукційного феріту.

2.Ксх для ТН (Трансформаторів напруги):

Номінальна схема (Ксх = 1): У нормальних умовах роботи вторинна напруга ТН має однакову фазу та амплітуду з первинною напругою.

Розширена схема (Ксх > 1): У цій схемі вторинна напруга ТН може бути більшою за первинну напругу через певні ефекти трансформації, наприклад, вплив реактивних компонентів або індуктивності.

Важливо відзначити, що значення Ксх може бути різним для різних типів ТС або ТН, і вони можуть змінюватися в залежності від конкретної моделі трансформатора і умов роботи. Точні значення Ксх завжди вказуються в технічних характеристиках пристрою і враховуються при налагодженні та розрахунках системи релейного захисту для забезпечення правильної реакції на виникнення подій у електричній мережі.

4.Накреслити одну із схем з'єднання ТС і реле. На основі аналізу струморозподілу і векторних діаграм визначити Ксх при заданихпошкодженнях.

На жаль, у текстовому форматі я не можу накреслити графічну схему або векторну діаграму. Однак я можу надати загальний опис і показати, як визначити Ксх на прикладі схеми підключення ТС та реле.

Припустимо, що ми маємо схему підключення трансформатора струму (ТС) до реле для захисту. Ось кроки для визначення Ксх при заданих пошкодженнях:

1.Створіть електричну схему: Розмістіть ТС і реле на схемі, включаючи первинну і вторинну обмотки ТС, а також реле з відповідними підключеннями.

2.Встановіть пошкодження: Задайте тип пошкодження або аварійної ситуації, яку ви хочете аналізувати. Наприклад, розглянемо ситуацію з коротким замиканням на первинній обмотці ТС.

3.Розрахуйте струми: Розрахуйте струми на первинній і вторинній обмотках ТС в залежності від типу пошкодження та характеристик обладнання відповідно до законів трансформації струму. Зазвичай, для коротких замикань, струми в первинній і вторинній обмотках будуть залежати від відношення витрат струму та числа витрат струму на обмотках.

4.Побудуйте векторну діаграму: Використовуйте векторні діаграми для візуалізації фазових струмів та фазових напруг на обмотках ТС та реле. Векторні діаграми допоможуть вам визначити фазові відхилення між струмами та напругами.

5.Визначте Ксх: Коефіцієнт схеми (Ксх) визначається як відношення амплітуди струму на вторинній обмотці ТС до амплітуди струму на первинній обмотці ТС. За допомогою векторних діаграм можна визначити це відношення для заданих умов.

6.Аналізуйте результати: Оцініть значення Ксх та його вплив на роботу реле в умовах пошкодження. Якщо Ксх виходить за межі, які вважаються нормальними для конкретного реле та ТС, то це може вплинути на надійність та ефективність релейного захисту.

Зазначу, що визначення Ксх та аналіз струморозподілу вимагає попередньої знаності про характеристики конкретних ТС, реле та умов роботи. Такий аналіз часто виконується інженерами в галузі електроенергетики для налагодження та оптимізації систем релейного захисту.

5.Вказати область використання кожної схеми з'єднання ТС і реле.

Схеми з'єднання трансформаторів струму (ТС) та реле розробляються з урахуванням конкретних вимог та завдань системи релейного захисту, а також властивостей ТС і реле. Кожна схема має свої власні області використання. Ось короткий огляд основних схем з'єднання ТС та реле та їх можливих областей використання:

1. Широкополосна схема (Ксх = 1):

Область використання: Використовується в системах, де вимагається висока точність вимірювань струму, таких як контроль і вимірювання струму для надійності і моніторингу мережі.

2.Схема з ферітом (Ксх < 1):

Область використання: Зазвичай використовується в системах, де потрібно компенсувати індуктивність обмоток ТС, наприклад, для зниження впливу індукційного феріту на вимірювання або для компенсації ефектів взаємодії з іншими елементами системи.

3.Номінальна схема ТН (Ксх = 1):

Область використання: Використовується в системах, де вимагається точне вимірювання напруги, таких як контроль

івимірювання напруги для надійності і моніторингу мережі.

4.Розширена схема ТН (Ксх > 1):

Область використання: Використовується, коли потрібно підсилення напруги для подальшого вимірювання або використання у захисних функціях, таких як виявлення фазового замикання або інші умови аварії.

Обрана схема з'єднання ТС та реле повинна відповідати конкретним потребам захисту, а також характеристикам обладнання та умовам роботи в електричній мережі. Важливо враховувати, що ці області використання є загальними і можуть варіюватися в залежності від конкретних деталей проекту та системи релейного захисту.

6.Чому дорівнює струм в нульовому проводі схеми повної, неповної зірки?

Струм в нульовому проводі (нульовому ліні) в схемах повної і неповної зірки може мати різні значення або навіть відсутнім зовсім, залежно від конфігурації схеми і умов в реальній системі. Важливо враховувати, що нульовий провід (нульовий лінь) призначений для ведення нульового струму тазабезпечення захисту від струмів короткого замикання.

Ось, які можливі варіанти для струму в нульовому проводі в схемах повної і неповної зірки: