59 Схемы соединения трансформаторов тока, коэффициент схемы

а) Типовые схемы и их анализ

Питание устройств релейной защиты током сети производится по рассмотренным ниже типовым схемам соединений трансформаторов тока и обмоток реле. Поведение и работа реле в каждой из этих схем зависят от характера распределения токов в ее вторичных цепях в нормальных и аварийных условиях. Для нахождения токораспределения в схеме сначала показываются положительные направления действующей величины первичных токов при рассматриваемом виде к.з.; затем наносятся стрелки вторичных токов в каждом трансформаторе тока, по которому проходит первичный ток, после чего показывается путь, по которому замыкается вторичный ток каждого трансформатора тока. Если в каком-либо элементе схемы (проводе или обмотке реле) вторичные токи разных фаз складываются или вычитаются, то результирующий ток в этом элементе находится путем геометрического сложения или вычитания соответствующих векторов фазных токов с учетом их сдвигов по фазе.

Для каждой схемы соединений можно определить отношение тока в реле I_р к току в фазе I_ф. Это отношение называется коэффициентом схемы

.

Коэффициент схемы учитывается при расчете уставок и оценке чувствительности защиты.

Ниже рассмотрены основные типовые схемы, анализируется токораспределение в них и определяется их область применения.

б) 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. 3-9). В нулевую точку объединяются одноименные зажимы обмоток трансформаторов тока.

При нормальном режиме и трехфазном к.з., как показано па рис. 3-9, в реле I, II и III проходят токи фаз

а в нулевом проводе – их геометрическая сумма

, (3)

которая при симметричных режимах (при наличии и отсутствий заземления в точках Н и К) равна нулю (рис. 3-10, а).

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), ток в неповрежденной фазе отсутствует. Согласно закону Кирхгофа сумма токов в узле равна нулю, следовательно, , отсюда .

С учетом этого на векторной диаграмме токи I_В и I_С показаны сдвинутыми по фазе на 180° (рис. 3-10, б).

Ток в нулевом проводе схемы равен сумме токов двух поврежденных фаз (I_b и I_c), но так как последние равны и противоположны по фазе (рис. 3-10, б), то ток в нулевом проводе также отсутствует: .

Поэтому реле IV, включенное в нулевой провод, не будет реагировать на нагрузку и междуфазные к.з., в чем состоит важная особенность схемы звезды.

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 . При нормальном режиме ток небаланса имеет величину порядка 0,01-0,2 А. При к.з. в связи с увеличением токов намагничивания величина тока небаланса возрастает.

При однофазных к.з. первичный ток к.з. проходит только по одной поврежденной фазе (рис. 3-10, в). Соответствующий 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. 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 .

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.з. 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), k_сх = 1.

в) Схема соединения трансформаторов тока и обмоток в неполную звезду

Трансформаторы тока устанавливаются в двух фазах и соединяются так же, как и в схеме звезды (рис. 3-12). В реле I и III проходят токи соответствующих фаз

.

а в обратном проводе ток равен их геометрической сумме:

.

С учетом векторной диаграммы - , т.е. равен току фазы, отсутствующей во вторичной цепи. При трехфазном к.з. и нормальном режиме токи проходят по обоим реле I и III и в обратном проводе. В случае двухфазного к.з. токи появляются в одном или двух реле (I или III) в зависимости от того, какие фазы повреждены.

Ток в обратном проводе при двухфазных к.з. между фазами А и С, в которых установлены трансформаторы тока, согласно рис. 3-10, б с учетом, что , равен нулю, а при замыканиях между фазами АВ и ВС он соответственно равен и .

В случае однофазного к.з. 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 k_сх = 1.

г) 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:

На основании этих выражений и с учетом векторных диаграмм токов I_A, I_В и I_С (рис- 3-10) находятся токи, проходящие в реле при разных видах к.з.

При нагрузке и трехфазном к.з. в реле проходит линейный ток, в √3 раз больший тока фазы и сдвинутый относительно него по фазе на 30° (рис. 3-14).

В табл. 3-2 приведены значения токов при других видах к.з. в предположении, что коэффициент трансформации трансформаторов тока равен единице (n_т = 1).

Таким образом, схема соединения трансформаторов тока в треугольник обладает следующими особенностями:

1. Токи в реле проходят при всех видах к.з. и, следовательно, защиты по такой схеме, реагируют на все виды к.з.

2. Отношение тока в реле к фазному току зависит от вида к.з.

3. Токи нулевой последовательности не выходят за пределы треугольника трансформаторов тока, не имея пути для замыкания через обмотки реле.

Отсюда следует, что при к.з. на землю в реле попадают только токи прямой и обратной последовательностей, т.е. только часть тока к.з.

Описанная выше схема применяется в основном для дифференциальных и дистанционных защит.

Поскольку в рассматриваемой схеме ток в реле при трехфазных симметричных режимах в √3 раз больше тока в фазе, коэффициент схемы согласно (3-10) равен:

.

д) Схема соединений с двумя трансформаторами тока и одним реле, включенным на разность токов двух фаз

Трансформаторы тока устанавливаются в двух фазах (например, А и С на рис. 3-15); их вторичные обмотки соединяются разноименными зажимами, к которым (параллельно вторичным обмоткам) подключается обмотка реле.

Из токораспределения, показанного на рис. 3-15 для случая, когда по первичной цепи проходят положительные токи I_A, I_B, I_C, находим, что ток в реле I_р равен геометрической разности токов двух фаз I_a и I_c т.е.

, (4)

где

Ток в реле для различных случаев к.з. и нагрузки находится с учетом прохождения первичных токов при рассматриваемом режиме по выражению (4) с помощью векторных диаграмм токов I_a и I_c.

При симметричной нагрузке и трехфазном к.з. распределение первичных и вторичных токов соответствует рис. 3-15. Пользуясь векторной диаграммой на рис. 3-10, а, находим по (4), что I_a – I_c в √3 раз больше тока в фазе (I_a и I_c) и, следовательно,

, (5)

При двухфазном к.з. на фазах А и С (рис. 3-10, б) в реле поступает два тока I_A и I_C с учетом векторной диаграммы I_C = - I_A; следовательно, и I_с = - I_а. Подставляя это значение в (4), получаем:

. (6)

где I_ф = I_а.

При двухфазном к.з. между А и В или В и С в реле поступает ток только одной фазы I_A или I_C, поскольку на фазе В нет трансформатора тока, отсюда по (4) получим:

. (7)

где I_ф = I_а или I_ф = I_с.

Из (5) - (7) видно, что ток в реле, а следовательно, и чувствительность схемы, при разных видах к.з. будет различной. Наименьший ток I_р, и поэтому наихудшая чувствительность, будет при к.з. между двумя фазами (АВ и ВС), из которых одна фаза (В) не имеет трансформатора тока.

По сравнению со схемой полной и двухфазной звезды данная схема имеет худшую чувствительность при к.з. между АВ и ВС. Действительно, при одной и той же нагрузке линии I_ф = I_н, в первых двух схемах в реле будет поступать ток I_р = I_н, а в рассматриваемой схеме согласно (5) I_р = √3 I_н.

В соответствии с этим ток срабатывания I'_ср реле в рассматриваемой схеме будет в √3 раз больше, чем I''_ср в первых двух: I'_ср = √3 I''_ср. В то же время при двухфазном к.з. между фазами АВ и ВС в реле всех трех сравниваемых схем ток I_р = I_ф = ; следовательно, если для схем по рис. 3-9 и 3-12 , то для схемы по рис. 3-15

.

и будет в √3 раз меньше. Указанный недостаток (пониженная чувствительность при двухфазных к.з. па линии между фазами АВ и ВС) нужно учитывать при применении схемы.

В случае двухфазного к.з. между фазами В и С за силовым трансформатором с соединением обмоток звезда - треугольник ток в реле оказывается равным нулю, так как токи I_а и I_с равны по величине и совпадают по фазе. Таким образом, при этом случае повреждения реле не будет действовать, что является существенным недостатком схемы. По этой причине однорелейную схему нельзя применять для зашит, которые должны действовать при к.з. за трансформаторами с соединением обмоток Y/Δ.

В случае однофазных к.з. на фазе, не имеющей трансформаторов тока (фаза В), ток в реле равен нулю, поэтому схема с включением на разность токов двух фаз не может использоваться в качестве защиты от однофазных к.з.

Рассматриваемая схема может применяться только для защиты от междуфазных к.з. в тех случаях, когда она обеспечивает необходимую чувствительность при двухфазных к.з. и когда не требуется ее действие при к.з. за трансформатором Y/Δ.

Коэффициент схемы при симметричных режимах , с учетом что в этом режиме .

е) Схема соединения трансформаторов тока в фильтр токов нулевой последовательности

Трансформаторы тока устанавливаются на трех фазах, одноименные зажимы вторичных обмоток соединяются параллельно и к ним подключается обмотка реле (рис. 3-16).

Из показанного на схеме распределения токов следует, что ток в реле равен геометрической сумме вторичных токов трех фаз:

.

Это значит, что I_р = 3I₀, и, следовательно, рассмотренная схема является фильтром токов нулевой последовательности. Ток в реле появляется только при однофазных и двухфазных к.з. на землю, так как только при этих повреждениях появляется I₀. Поэтому схема применяется для защит от замыканий на землю.

При нагрузках, трехфазных и двухфазных к.з. сумма первичных токов фаз равна нулю, соответственно ток I₀ = 0 и реле Р не действует. Но из-за погрешности трансформаторов тока сумма вторичных токов не балансируется и в реле появляется ток небаланса I_нб, что необходимо учитывать при применении схемы.

Включение реле по схеме на рис. 3-16 равносильно его включению в нулевой провод звезды по рис. 3-9.

Рассмотренная схема часто называется трехтрансформаторным фильтром токов I₀.