24. Особенности и схемотехника подключения к измерительным трансформаторам тока и напряжения электромеханических, микроэлектронных и микропроцессорных средств автоматики энергосистем.

Для электромеханических реле.

Измерительные преобразователи являются общими элементами для всех схем релейной зашиты. Их основное назначение изолировать цепи высокого напря­жения от вторичных цепей защиты и преобразовать входные величины в вели­чины, удобные для измерений. К наиболее распространенным относятся элек­тромагнитные трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Транс­форматоры тока рассчитываются на получение вторичных токов величиной 5 А или 1 А, при помощи трансформаторов напряжения получают вторичные на­пряжения 100 В или 100/№3В.

Особенности работы трансформаторов тока в схемах релейной защиты. Конструктивно трансформатор тока представляет собой стальной сердечник с двумя обмотками: первичной W1 и вторичной W2. При протекании тока по первичной обмотке трансформатора тока создается магнитный поток, который наводит во вторичной обмотке, замкнутой на сопро­тивление нагрузки, ток I2. Отношение первичных и вторичных номинальных токов называется номиналь­ным коэффициентом трансформации трансформатора тока: n_ТТ=I_1ном/I_2ном

Из-за потерь в стали сердечника значения виткового и номинального коэффи­циентов трансформации трансформаторов тока различны. Для рассмотрения причин, вызывающих эту разницу, обратимся к схеме замещения трансформа­тора тока.

П ервичный ток I1 проходит сопротивление Z1 и далее разветвляется по двум параллельным ветвям. На нагрузку поступает вторичный ток I2, по ветви на­магничивания замыкается ток Iнам = I1 –I2 , называемый током намагничивания. Введение ветви намагничивания в схему ТТ позволяет учесть погрешности при реальном процессе трансформации. Различают следующие виды погрешностей:

Токовая погрешность определяет разницу между измеренным модулем тока и его фактическим значением.

Фазовая погрешность определяет угол сдвига вторичного тока относительно первичного.

Из схемы замещения следует, что величина погрешности зависит от значения сопротивления ветви намагничивания Zнам и от его соотношения с сопротив­лением нагрузки Zн. Сопротивление намагничивания определяется конструк­цией трансформатора тока, характеристикой стали сердечника и кратностью первичного тока. Увеличение первичного тока приводит к насыщению стали и уменьшению сопротивления Zнам, что приводит к росту погрешности. Если увеличивать нагрузку при неизменном первичном токе, то также происходит увеличение погрешности. Согласно нормативным требованиям, погрешность трансформаторов тока в ре­жиме работы зашиты не должна превышать 10%. Рекомендуется следующий порядок выбора трансформаторов тока:

1.Определяется рабочий ток защищаемого объекта Iраб

2.По найденному значению тока и номинальному напряжению выбирается трансформатор тока.

З.Оиределяется максимально возможное значение тока повреждения защищае­мого объекта Iкмах

4. Рассчитывается кратность тока короткого замыкания как отношение k = Iкмах/ Iраб

5. На основании технической документации поставщика оборудования или справочных материалов и найденной кратности первичного тока определяется допустимая нагрузка Zндоп для выбранного трансформатора тока.

6. Рассчитывается фактическая нагрузка трансформаторов тока 'срав­нивается с допустимой.

7. Если Zн доп > Zн факт считается, что трансформатор тока удовлетворяет тре­бованиям точности и его можно использовать для данной схемы защиты. Трансформаторы тока, в отличие от силовых трансформаторов, работают в ус­ловиях, близких к режиму короткого замыкания вторичных выводов. При раз­мыкании вторичной обмотки весь первичный ток переходит в ветвь намагничи­вания, и трансформатор тока переходит в режим глубокого насышения. Режим насыщения сопровождается нагревом магнитопровода и возникновением опас­ных перенапряжений на вторичных зажимах, что недопустимо но условиям изоляции вторичных цепей. С учетом сказанного работа трансформатора тока с разомкнутой вторичной об­моткой недопустима, а работа с закороченной является часгным случаем нор­мальной работы. Но условиям элсктробезоиаености вторичные обмотки транс­форматоров тока заземляются.

Т рансформаторы напряжения в схемах релейной защиты. Трансформатор напряжения представляет собой сердечник, набранный из пластин электротехнической стали, с размешенными на нем первичной и вто­ричной обмотками. Первичная обмотка ( имеющая большое число витков (несколько тысяч), подключается паралельно силовой сети, к вторичной обмотке подключа­ются измерительные приборы, цепи защит и сигнализации. Преобразование на­пряжения U1 до величины U2 определяется соотношением витков первичной и вторичной обмоток. Кроме основных погрешностей на точность измерениz оказывает влияние па­дение напряжения в контрольном кабеле. Ветчина потерь нормируется, так, для цепей релейной зашиты она не должна превышать 3 %. Вторичные обмотки ТН обязательно заземляются для обеспечения безопасности персонала при попадании высокого напряжения во вторичные цепи. Нормальными режимами работы дтя ТН является режим холостого хода. Для идеального источника напряжения Zвн=0,

Микроэлектронные и микропроцессорные защиты. Так как эти виды РЗ являются слаботочными устройствами и работают с сигналами 5-10В, то для их работы не достточно только вв ТТ и ТН. Входные преобразователи обеспечивают гальваническую развязку внешних цепей от внутренних цепей устройства. Одновременно, входные преобразователи осуществляют приведение контролируемых сигналов к единому виду (как правило, к напряжению) и нормированному уровню. Одновременно принимаются меры по защите внутренних элементов устройства от воздействия помех и перенапряжений.

Преобразователи тока. Одной из функций воспринимающей части является преобразование входного тока в пропорциональное ему напряжение. Эта операция, наряду с другими, отмеченными выше функциями воспринимающей части, выполняется посредством промежуточных трансформаторов тока (ПТТ) или трансреакторов (ПТР), которые наиболее просто исключают непосредственную гальваническую связь ИО с внешними цепями переменного тока.

Промежуточный трансформатор напряжения ПТН (рис.2.39, д) – обычно понижающий входное напряжение. К первичной обмотке ПТН подается напряжение U1, снимаемое с ТН защищаемого объекта. Вторичная обмотка ПТН замкнута на нагрузку с сопротивлением RH, значительно превышающим его внутреннее сопротивление: RH>> RПTH. Это позволяет с некоторым приближением считать, что ПТН работает в режиме холостого хода.

ОТ УФЫ

Первичными ИП являются измерительные трансформаторы тока и напряжения, посредством их получают сигналы Iи U, пропорциональные реальным величинам, но с уменьшенной величиной. Затем вторичные преобразователи (TLV, TLA, U0, UF, UP, UQ, AZ, VZ) формируют сигналы об изменениях фазы и частоты, ее производной, сигналы о мощностях, нулевых и обратных составляющих последовательностей тока и напряжения. Таким образом, функция ИП - преобразование режимных параметров (I, U) в информационный сигнал. Использование измерительных преобразователей формирует параметр не только для удобного его измерения, но и для разделения цепей высокого напряжения (сети) от цепей низкого, которые используются для различного вида дополнительного оборудования. То есть, используя трансформатор тока вторичный ток получаем равным 1- 5 А, используя трансформатор напряжения (ТН) – 100,100/ . Обычно на эти уровни рассчитаны релейная защита и различные виды автоматических устройств. Однако при использованиимикроэлектронных и микропроцессорных схем, которые работают с меньшими уровнями тока и напряжения, дополнительно устанавливают вторичные измерительные преобразователи. Они используются для выделения, преобразования сигналов из вторичных напряжения и тока первичных ИП, так же они необходимы для уменьшения абсолютных значений вторичных U иIТТ и ТН (5-10В и 5-10мА) .

В современных автоматических устройствах обязательно применяют вторичные трансформаторы тока (TLA),напряжения (TLV) и трансреакторы (преобразуют ток в ЭДС), так же для выделения сигнала используют частотные фильтры.

Трансформатор тока (TLA) подключается к источнику тока, каким является первичный трансформатор тока (ТА). Нормальный режим работы TLА при замкнутой вторичной обмотке (близкий к режиму КЗ, режиму источника тока).

Рис. 26. Схема включения вторичного трансформатора тока.

Принцип преобразования заключается в следующем: при прохождении тока I1 через обмотку w1сохдается ЭДС, которая в свою очередь создает магнитный поток Ф, который замыкается по магнитопроводу. При прохождении этого Ф через обмотку w2, в ней индуцируется электродвижущаясила. При подключении нагрузки (измерительная и сравнивающая аппаратура) действием индуцируемой ЭДС будет проходить токI2. Таким образом (без учета погрешностей в магнитопроводе) первичный ток I1 превратился во вторичный ток I2. То есть:

, где Iнам – ток намагничивания (часть первичного тока), который создается за счет магнитодвижущей силы (МДС), которая замыкается по магнитопроводу. Если Iнам=0, то

, где - коэффициент трансформации.

То есть, при Iнам=0 первичный ток полностью трансформируется во вторичный и трансформатор тока работает без потерь и погрешностей. Однако в реальных схемах это не так. Ток намагничивания вносит искажение в абсолютное значение и фазу вторичного тока.

Погрешность ТТ зависит от:

-конструктивных особенностей магнитопровода (сечение и диаметр, магнитная проницаемость материала).

- вторичной нагрузки

- кратности первичного тока по отношению к номиналу.

Увеличение нагрузки, отличие первичного тока от номинального значенияприводят к увеличению погрешности. Рассмотрим схему подключения первичного и вторичного ТТ:

Рис.27. Схема подключения ТТ.

Первичная обмотка Z1 первичного трансформатора тока (ТТ) включается последовательно в цепь измеряемого тока. Она имеет небольшое число витков и выполняется из проводника относительно большого сечения. Вторичная обмотка Z2 ТТ рассчитана на меньший ток (1-5А) и соответственно имеет

большее число витков, то есть . Токовые катушки измерительных приборов или реле, которые представляют собой нагрузку Z3 ТТ, подключаются последовательно ко вторичной обмотке и по условиям нормальной работы ТТ должно удовлетворять условию: (чтобы вторичная обмотка не влияла на первичный ток). Однако в нашей схеме Z3 является первичной обмоткой вторичного измерительного трансформатора тока (TLA), а Z4 – вторичной обмоткой, которая рассчитана на еще меньшие значения токов (5-10мА). Тогда , (чтобы оградится от погрешностей в преобразовании токов), а нагрузка Z5 TLA должна удовлетворять условиям: . То есть при подключении вторичных трансформаторов тока к первичным необходимо, чтобы внутреннее сопротивления TLA было больше внутреннего сопротивления ТТ.

Вторичные трансформатор напряжения (TLV) подключается к источнику напряжения, каким является первичный трансформатор напряжения (ТН). Нормальный режим работы TLV- режим при разомкнутой вторичной обмотке (близкий к режиму ХХ, режиму источника напряжения).

Рис. 28. Схема включения вторичного трансформатора напряжения.

На рис. 28 представленымагнитопровод, по которому замыкается магнитный поток, первичная обмотка w1 и вторичная w2.

Трансформатор напряжения работает с погрешностью, искажающей вторичное напряжение по величине и по фазе. В идеальном ТН, работающем без погрешностей, вторичное напряжение:

, но в реальном случае, с учетом падения напряжения в первичной и вторичной обмотках действительное значение вторичного напряжения будет равно:

. Значит, уменьшить погрешность преобразования можно с помощью конструктивных изменений магнитопровода или же с помощью уменьшения падения напряжения навторичной обмотки, то есть, уменьшая ток нагрузки I2.

Рассмотрим схем подключения первичного и вторичного трансформатора напряжения.

Рис. 29. Схема включения измерительных трансформаторов напряжения.

Первичная обмотка Z1 первичного трансформатора напряжения (ТН) состоит из большого числа витков и присоединяется к проводу, напряжение которого надо измерить, и к заземленному основанию. Во вторичной обмотке Z2 индуцируется ЭДС пропорциональное напряжению сети, но меньшее по величине, так как число витков вторичной обмотки много меньше, чем первичной, а, следовательно, и . К вторичной обмотке Z2 параллельно присоединяется нагрузка Z3 (катушки измерительных приборов и реле). Причем, (режим близкий к ХХ) для ограничения потерь в обмотке Z2.

Также Z3 является первичной обмоткой вторичного трансформатора напряжения (TLV), а Z4 – вторичной, тогда . А присоединяемая к вторичной обмотке Z4 нагрузка Z5, должна быть для ограничения потерь трансформации. Таким образом, для правильного подключения вторичного трансформатора напряжения необходимо, чтобы вторичная нагрузка Z5 было много больше, чем внутреннее сопротивление трансформатора или суммарная токовая нагрузка измерительных приборов и реле была меньше допустимой.

Трансреактор подключается (TАV) подключается к источнику тока и работает в режиме, близкому к ХХ.

Рис. 30. Схема включения вторичного трансреактора.

Трансреактор представляет собой устройство для получения ЭДС на выходе, пропорциональной току на входе и сдвинутой по отношению к этому току на угол, близкий к 90⁰.

Если рассеяние первичной и вторичной обмотки не учитывать, то отношение напряжения ХХнавыходе к току на входе:

.

Магнитопроводтрансреактора имеет воздушный зазор с сопротивлением , который увеличивает линейность характеристики преобразования величины.

Итак, при выполнении ИП на пассивных элементах, встает вопрос о относительно большой погрешности преобразования величин, что не допустимо при выполнении автоматики на микропроцессорных схемах.

Для решения этой проблемы используют измерительные преобразователи, которые выполняются на интегральных операционных усилителях.

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения (сигнала), предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами при работе в цепях с отрицательной обратной связью (ООС). Основные требования к ОУ сводятся к тому, чтобы он как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением с бесконечно большим коэффициентом усиления. А это значит, что входное сопротивление ОУ должно быть равно бесконечности (R_вх= ) и, следовательно, входной ток I_вх =0. Выходное сопротивление должно быть равно нулю (R_вых=0), а нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Частотный диапазон усиливаемых сигналов должен простираться от постоянного напряжения до очень высоких частот. Т.к. коэффициент усиления велик, то при конечном значении U_выхнапряжение на его входе должно быть близким к нулю.

На рис. 31(а,б) приведенная схема активных промежуточных трансформаторов тока и напряжения на интегральных ОУ.

Рис. 31а.

Рис.31. Схемы активных промежуточных трансформаторов тока (а) и напряжения (б).

Для трансформатора тока компенсирование происходит за счет тока , который проходит через обмотку обратной связи . Тогда результирующая МДС:

Если ,

,

Выходное напряжение усилителя будет определяться:

, так же

Тогда: , или

Равенство МДС:

Таким образом намагничивающая сила активного ИП меньше, чем намагничивающая сила пассивного ИП на величину , которая создается благодаря ОУ. Таким образом меньшее значение намагничивающей силы дает меньшие погрешности преобразования.

Коэффициент трансформации равен отношению числа витков первичной обмотки к числу вторичной.

Активный трансформатор напряжения (рис.31.б).

TLVвыполняется на основе схемы TLА, но для преобразования напряжения U1(вторичное напряжение от первичного ТН) в ток i1 используют балластное сопротивлениеR1. и обеспечивают снижение помех в виде свободных апериодической и колебательных составляющих напряжения U1 и снижения дрейфа нуля интегрального ОУ. Для обеспечения режима работы усилителя близкому к источнику ЭДС, магнитная отрицательная обратная связь выполняется по напряжению: ток определяется напряжением и резистором магнитной обратной связи .

Коэффициент трансформации:

Активный трансреактор.

Схема (рис. 32) выполнена на двух интегральных усилителях А1 – основной усилитель и А2 – выходом усилителей. Усилитель А3 в цепи обратной цепи служит для автоматической компенсации аддитивной помехи – дрейфа нуля усилителей А1 и А2. При этом в усилителе А1 применяется последовательная отрицательная обратная связь по напряжению : сопротивление служит для преобразования источника тока i₁ в источник входного напряжения на неинверитирующем входе А1. Отрицательная обратная связь по току обеспечивает преобразование источника тока i₁ в источник тока i₂. На интегральном усилителе А2 с параллельной отрицательной обратной связью ( на инвертирующем входе) по напряжению выполнен преобразователь тока i₂ в напряжение U₂.

Коэффициент преобразования . Усилитель А3 с конденсатором С_О.С в цепи обратной связи интегрирует не только постоянную составляющую напряжения U₂ (аддитивную погрешность): по переменному току вход А3 практически закорочен конденсатором С_ВХ и воздействует по цепи общей обратной отрицательной связи на вход А1.

Рис.32. Схема активного измерительного трансреактора.

25.0сновные элементы и обобщенная структура микропроцессорных средств автоматики энергосистем. Используемые для автоматизации энергосистем законы и алгоритмы автоматического регулирования и управления определяются в основном главным образом свойствами и характеристиками оборудования, электрических сетей и энергосистем в целом, а также конкретными целями автоматизации, в связи с чем в значительной мере инвариантны к средствам их реализации. Вместе с тем, метрологические, функциональные и эксплуатационные возможности электромеханической, микроэлектронной и микропроцессорной элементных баз существенно различаются и оказывают большое влияние на уровень эксплуатационно-технических характеристик и совершенствование автоматики энергосистем. В микропроцессорных средствах автоматики энергосистем: автоматических синхронизаторах, АПВ, АВР, АЧР, ЧАПВ, АРВ (напряжения) и реактивной мощности, АРЧВ и активной мощности, АЛАР, АОН, АОЧ, АПНУ реализуются все достоинства цифровой формы представления и преобразования информации: функциональная универсальность, точность, хранение, самодиагностика, эффективная коммуникация, современный компьютерный эксплуатационный сервис.

где: – аналоговые сигналы от измерительных трансформаторов и различных датчиков; УВАС – устройство ввода аналоговых сигналов, обеспечивающее преобразование рода сигналов, например ток–напряжение и др., а также их необходимое нормирование-масштабирование; – логические сигналы от РЗ, внешней автоматики и задаваемые обслуживающим персоналом;УВЛС – устройство ввода логических сигналов от РЗ, внешней автоматики и задаваемых обслуживающим персоналом;АЦП – аналого-цифровой преобразователь, осуществляющий преобразование значений непрерывного сигнала в цифровые коды, который может быть параллельным по отношению к числу оцифровываемых сигналов и последовательным. В последнем случае данный блок содержит коммутатор каналов сигналов, последовательно подключающий к АЦП каналы аналоговых сигналов;ОЗУ – оперативное запоминающее устройство;ПЗУ – постоянное запоминающее устройство;ЦП – цифровой процессор, в общем случае микропроцессорный узел, обеспечивающий все функциональные преобразования;УВУС – устройство вывода управляющих логических и через цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) аналоговых сигналов, обеспечивающее также необходимые преобразования рода сигналов и их усиление; ИУА – исполнительные устройства автоматики ЭЭС.