Приложение 6С (справочное). Переходные характеристики маломощных трансформаторов напряжения

Приложение 6С
(справочное)

Переходные характеристики маломощных трансформаторов напряжения

6С.1 Введение

В настоящем приложении приведена информация, требуемая для работы ММТН в условиях переходных процессов.

Для того чтобы четко понимать эти условия, полезно создать простое моделирование ММТН, которое поможет описать теоретический анализ.

6С.2 Общие положения

6С.2.1 Определение первичных и вторичных напряжений

Первичные u _p и вторичные u _s(t) напряжения могут быть описаны следующими уравнениями:

,

где - среднеквадратическое значение первичного напряжения при U _pdc(t) = 0 и u _{р res}(t) = 0;

- среднеквадратическое значение вторичного напряжения при U _sdc(t) = 0 и u _{s res}(t) = 0;

f - фундаментальная частота сети, Гц;

- значение постоянной составляющей в первичной цепи, обусловленное остаточными зарядами, В;

- значение постоянной составляющей во вторичной цепи, вызванное, например, U _pdc(t) и/или внутренней работой электронного трансформатора напряжения, В;

- фазовое смещение первичной цепи, рад;

- фазовое смещение вторичной цепи, рад;

- первичное остаточное напряжение, включая гармонические и субгармонические компоненты;

- вторичное остаточное напряжение, включая гармонические и субгармонические компоненты;

t - мгновенное значение времени, с;

f, , , , , , - постоянные в установившемся режиме.

Для целей измерения и защиты ММТН должны производить корректное измерение компонентов при частоте f. Другие части уравнений описывают необязательные компоненты, которые могут добавлять погрешности к измеряемому сигналу.

6С.2.2 Нормальные рабочие условия сети

При нормальных рабочих условиях первичное напряжение U _p и частота f остаются в заданных регулированием пределах сети, например:

.

При нормальных рабочих условиях ММТН, спроектированные для измерения, находят широкое применение в сочетании с измерительными ТТ, т.е. для измерений.

6С.2.3 Аварийные процессы в сети

Вследствие аварии в сети первичное напряжение U _p и частота f могут существенно отличаться от их номинальных значений.

ММТН, используемые для целей измерения, должны выдерживать эти процессы в сети без повреждения, но их класс точности не является предметом стандартов МЭК и может быть предметом соглашения между изготовителем и пользователем.

ММТН, используемые для целей защиты, сконструированы таким образом, чтобы корректно передавать сигнал во время нормальных и аварийных процессов в сети для передачи информации защитным реле о любом критическом изменении условий в сети.

6С.2.4 Номинальное вторичное напряжение

Как правило, электронное оборудование питается от биполярного источника напряжения  12 или  15 В, что позволяет получать на выходе максимальные значения выходного переменного сигнала 8 и 10 В, соответственно, с достаточно высокой линейностью. Номинальное вторичное значение напряжения ММТН должно быть выбрано таким образом, чтобы максимальное значение оставалось в пределах данного диапазона. Аналогичное замечание относится и к цифровому выходому интерфейсу низковольтного трансформатора.

Например:

При коэффициенте напряжения k ₁ = 1,9 полное смещение напряжения с учетом остаточных зарядов k ₂ = 2.

При номинальном значении фазного напряжения 3,25/ В максимальное напряжение ММТН определяют как U _max =  В.

6С.2.5 Установившийся режим

Для установившегося режима значение постоянной составляющей является постоянным:

.

6C.3 Переходный режим

6C.3.1 Теоретический анализ

6С.3.1.1 Процессы в сети

Многие процессы в сети, отличающиеся от нормальных рабочих условий, следует учитывать при проектировании/разработке высоковольтного оборудования. Одни из них имеют непосредственное влияние на диэлектрическую конструкцию, другие - на отклик сигнала. Приведенные ниже примеры являются наиболее важными из них.

a) Длительные перенапряжения в сети

В зависимости от удаленности участков сети от мощных источников электроснабжения может происходить длительное повышение уровня напряжения по сравнению с номинальным значением. Перенапряжение выражают коэффициентом, на который должно быть умножено номинальное напряжение.

Как правило, значение коэффициента длительного перенапряжения принимают равным 1,2.

b) Короткое замыкание на землю в трехфазной сети с незаземленной нейтралью

Замыкание на землю одной фазы в трехфазной сети с незаземленной нейтралью ведет к перенапряжениям на двух неповрежденных фазах. Теоретически коэффициент перенапряжения на этой фазе - квадратный корень из 3. Однако этот коэффициент зависит от расстояния замыкания на землю до наблюдаемой точки сети. Замыкание на землю может продолжаться до нескольких часов (или даже дней) для некоторых участков сети, труднодоступных зимой.

Обычно значение для этого перенапряжения выражают коэффициентом 1,9 для 8 ч.

c) Атмосферные разряды на высоковольтных линиях электропередачи

Молния приводит к перенапряжениям на высоковольтном оборудовании. Эти перенапряжения могут достигать мегавольт. Продолжительность данного высокого уровня, как правило, ограничена несколькими микросекундами, что означает также, что количество энергии, проходящей через оборудование, является ограниченным. Но крутой фронт нарастания импульса приблизительно в 1 мкс ведет к появлению частоты в несколько мегагерц, которая представляет опасность для всей изоляции из-за наличия паразитных емкостей.

Наименее приемлемый вариант данного явления проявляется в том случае, когда характер нагрузки прерывистый, это проявляется в случае перехода с воздушной линии электропередачи на силовой трансформатор, когда волновое сопротивление линии намного меньше, чем у трансформатора. Распространяемая волна в таких случаях может быть увеличена в два раза от начального значения за счет ее отражения.

Такие перенапряжения часто ведут к кратковременным прерываниям напряжения в сети в результате срабатывания ограничителя перенапряжения. Система защиты распознает возникновение дуги как короткое замыкание на землю и активирует выключатель срабатывания ограничителя перенапряжения. Этого обычно достаточно, чтобы устранить появление дуги, затем автоматический выключатель повторно включается.

d) Коммутационные процессы

Другие явления вызваны коммутационными воздействиями в сетях высокого напряжения. Они могут привести к паразитному резонансу с переходными перенапряжениями, у которых есть частоты, отличающиеся от номинальной промышленной частоты. Частоты, в области килогерца и до мегагерца [в газовом (коммутационном) оборудовании], главным образом, зависят от фактической конфигурации сети. Кроме того, образование дуги в цепи выключателя приводит к влиянию переходных процессов с перенапряжениями. И коммутация, и токи с малой индуктивностью могут привести к перенапряжениям, которые вызваны резонансом между нелинейными компонентами и емкостями.

6С.3.1.2 Типы переходных процессов

Множество различных переходных процессов происходят из-за перенапряжений и коммутации, как описано в 6С.3.1.1.

В качестве средств против этих перенапряжений применяют множество различных ограничивающих устройств от перенапряжений, таких как газовые разрядники и ОПН (ограничители перенапряжения). С одной стороны, они необходимы для защиты сети и ее компонентов, с другой - могут также привести к переходным процессам, которые следует предотвращать. Особенно важно, чтобы ММТН, предназначенные для точной передачи сигнала, были сконструированы соответствующим образом. Это ведет к требованиям для измерительного прибора, предусматривающим надлежащую частотную характеристику до нескольких килогерц.

Другие переходные процессы учитывают внезапные изменения первичного напряжения, возникающие вследствие короткого замыкания на непосредственно измеряемой фазе или замыкания на землю другой фазы. ММТН должен быть в состоянии в пределах определенного времени в несколько миллисекунд воспроизвести такие изменения с соответствующим требованием к точности для этого времени.

Во время выключения линии или кабеля может остаться остаточный заряд. Если линия не заземлена или не разряжается подключенным к ней низкоомным сопротивлением, заряд может сохраняться в течение нескольких дней (см. рисунок 6С.1). Уровень заряда зависит от положения фазы напряжения, когда происходит отключение. Худший случай, когда это происходит при напряжении в его амплитудном значении U _p, что означает, что первичный конденсатор делителя остается заряженным, сохраняя заряд q ₁ = , в то время как вторичный конденсатор С _b разряжен параллельным резистором R ₂ подключенного устройства.

Когда линия включена снова, низковольтное внутреннее сопротивление сети разряжает ее мгновенно, что вынуждает заряды С _а перетекать в С _b. Таким образом, С _b будет теперь заряжен на величину:

,

приблизительно равную:

.

Напряжение, которое уменьшается по экспоненте с постоянной времени накладывается на синусоидальный сигнал и в результате приводит к существенной погрешности (см. рисунок 6С.1). Негативным влиянием от этой апериодической составляющей становится насыщение трансформаторов, встроенных в ММТН или подключенное к нему защитное реле. Превосходным решением этой проблемы является применение комбинированного резистивно-емкостного делителя, передающего корректный сигнал во время переходного режима. Явление насыщения трансформатора с остаточным зарядом не влияет на цифровой выходной интерфейс и низковольтный выход (в пределах  15 В, пиковое) (см. рисунок 6С.2).

C _L - емкость линии

Рисунок 6С.1 - Схематическая диаграмма, объясняющая явление остаточных зарядов

U _p - напряжение на первичных вводах; U _s - напряжение на вторичных выводах

Рисунок 6С.2 - Напряжения при наличии эффекта остаточного заряда

6С.3.1.3 Уравнения u _p(t) и u _s(t)

Теоретический переходный процесс, возникающий в сети, может быть описан, при помощи следующих уравнений, ранее введенных для условий установившегося режима:

первичное напряжение: u _p(t) = ;

вторичное напряжение: u _s(t) = .

Внезапное изменение одного или более параметров вызывает переходный процесс.

Сравнение u _p(t) и u _s(t) позволяет оценить работоспособность ММТН в переходном режиме согласно таблицам 6С.1 и 6С.2.

Таблица 6С.1 - Короткое замыкание в первичной цепи

	t < t o	t = t o	t  t o + (1/f r)
	См. уравнение выше	0	0
U p	F V U pr	0	0
	См. уравнение выше		0,1
Примечание - t o - точное время, когда произошло короткое замыкание.

Таблица 6C.2 - Остаточные заряды

	t < t o	t = t o	t o < t < t 1	t  t 1
U p	F V U pr	0	0	F V U pr
U p dс	0	F V U pr	F V U pr	0
	См. уравнение выше			1 a
Примечание - Значения в этой таблице для наихудшего случая размыкания при t o и повторного замыкания при t 1 с обратной полярностью для U p. t o - точное время, когда выключатель разомкнут. t 1 - точное время, когда выключатель повторно включается.
1 а Пределы: см. требования, приведенные в таблице 6С.3.

Таблица 6C.3 - Пределы погрешности мгновенного напряжения для электронного трансформатора напряжения при наличии остаточного заряда

Комментарии	f/f r	U p/U pr	U p dc/U pr для t 0		, %
					2 < f t  3	3 < f t 4,5
Линия, заряженная на единицу F V	1	1	F V	- /2	10 a	5 a
То же самое с обратной полярностью	1	1	- F V	+ /2	10 a	5 a
а По согласованию между производителем и заказчиком могут быть приняты другие значения.

Где - произведение частоты f на время t и представляет собой число циклов, для которых нормируется точность.

Пределы погрешности мгновенного значения, приведенные в таблице 6С.3, применяются к электронным ТН, работающим на переменном токе с аналоговым сигналом на выходе с амплитудой в пределах  15 В.

Маломощные датчики, применяемые на переменном токе с низковольтным аналоговым сигналом на выходе, и датчики с цифровым сигналом на выходе, соответствующие маске частотной характеристики, определенной в таблице 6А.2, могут не соответствовать требованиям, приведенным в таблице 6С.3. В этом случае прямой цифровой поток данных может при необходимости дополнительно фильтроваться нижестоящим вторичным оборудованием.

Примечание - Соответствие таблице 6А.2 подразумевает нижнюю границу полосы пропускания около 1 Гц, в то время как соответствие таблице 6С.3 - частоту приблизительно 15 Гц.

6С.3.1.4 Простая модель ММТН

6С.3.1.4.1 Общие положения

Каждый раз, когда проверка путем проведения реальных испытаний невозможна, функционирование ММТН должно быть проверено с помощью моделирования. Выбор модели ММТН и программного обеспечения для моделирования требует согласования между изготовителем и потребителем.

Моделирование широко применяется в других областях, т.е. моделирование (с помощью программного обеспечения ЕМТР, Elecro-Magnetic Transient Program - программы расчета электромагнитных переходных процессов) взамен реального испытания является общепринятым методом, используемым, например, для проверки правильности работы выключателя в сети.

6С.3.1.4.2 Модель ММТН

Идентичную модель следует применять при коротком замыкании первичных вводов и при повторном включении линии с остаточными зарядами. Соглашение между производителем и пользователем должно быть основано на сравнении результатов реальных испытаний и моделирования в условиях тока короткого замыкания в первичной цепи. В модели должна быть учтена нелинейность ММТН.

С ₁, С ₂ - емкостные делители напряжения; А - идеальный усилитель с единым усилением по напряжению; TR - индуктивный магнитный преобразователь (трансформатор); R ₂ - входной импеданс (сопротивление) усилителя A; R _S - полный эквивалентный импеданс (сопротивление) выходной цепи усилителя A; R _L - нагрузка

Рисунок 6С.3 - Пример упрощенной модели ММТН

Пример ММТН (в переходном режиме) представлен схемой на рисунке 6С.3.

Модель, описывающая схему, должна включать нелинейность индуктивного магнитного трансформатора TR. Моделирование может быть выполнено с различным программным обеспечением, таким как ЕМТР, Saber, Spice и т.д. R _L - это нагрузка, которая должна соответствовать требованиям настоящего стандарта (параллельная или последовательная нагрузка). Порядок моделирования полной испытательной схемы должен соответствовать 6С.3.3.

6С.3.1.5 Влияние переходных процессов на работу защитных реле

На высоковольтных подстанциях ТН подключены к защитным реле. Входной блок данных реле оборудован индуктивными магнитными ТН, обеспечивающими гальваническую развязку. Эти трансформаторы достаточно маленьких размеров и их первичные обмотки имеют очень тонкие провода. Следовательно, они очень чувствительны к присутствию любой постоянной составляющей на их входе. Данная постоянная составляющая тока может вызвать насыщение их магнитных цепей. Повышенный ток, возникающий в результате этого, может вызвать тепловой обрыв первичной цепи. Должно быть проверено влияние электронного ТН на реле во время присутствия остаточных зарядов. Это особенно важно, если выходной сигнал ММТН усилен каким-либо традиционным методом (амплитуда выше  15 В), и он может передавать постоянное напряжение, или напряжение на предельно низкой частоте.

6С.3.2 Определение погрешности в переходном режиме

Погрешность мгновенного значения напряжения определяют следующей формулой:

,

где - погрешность мгновенного значения напряжения;

- номинальный коэффициент преобразования (трансформации).

6С.3.3 Испытание на устойчивость к переходным процессам

6С.3.3.1 Испытание емкостных трансформаторов напряжения на устойчивость к переходным процессам

В МЭК 61869-5 предъявляются требования к работе емкостных ТН в переходном режиме, обусловленном током короткого замыкания в первичной цепи.

Испытание может быть проведено с регистрацией двух сигналов. Первую запись производят с выхода емкостного ТН, вторую запись - с выхода эталонного устройства, преобразующего первичное напряжение и дающего точное определение момента, в который происходит короткое замыкание. Испытание заключается в простом контролировании остаточного значения первичного сигнала непосредственным измерением.

6С.3.3.2 Испытание ММТН на устойчивость к переходным процессам

6С.3.3.2.1 Общие положения

Погрешность мгновенного напряжения в переходном режиме определяют следующей формулой:

.

Эта формула может быть заменена следующей:

.

Используя погрешность в установившемся режиме

.

U _p может быть выражено через U _s

.

Подставляя U _p в это выражение из предыдущей формулы, определяют:

.

Принимаем во внимание то, что

.

Процедура испытания может быть упрощена при использовании следующей формулы:

.

Следует отметить, испытания на устойчивость к переходным процессам считают законченными, если охватывают все реальные ситуации в сети, такие как возникновение короткого замыкания в первичной цепи и повторное включение сети с наличием остаточного заряда.

Влияния номинального времени задержки. Для того чтобы избежать нежелательных эффектов на защитные реле, необходимо рассмотреть два варианта:

a) отсутствие взаимосвязи между номинальным временем задержки ММТН и ММТТ. Испытание может быть выполнено без внешней компенсации номинального времени задержки t _dr;

b) ММТН, используемый с ТТ, имеющим точно такое же время задержки. Испытание может быть выполнено с применением устройства с временной задержкой, включенным между эталонным трансформатором и дифференциальным усилителем. Время задержки этого устройства должно быть установлено для значений, определяемых как t _d = /2f _r, где и f _r являются значениями, представленными в табличке с паспортными данными.

6С.3.3.2.2 Короткое замыкание в первичной цепи

В случае короткого замыкания в первичной цепи при испытании u _p(t) = 0 для t > 0.

Таким образом, формула, приведенная выше, принимает вид

,

который является математическим выражением требования, предъявляемого в настоящем стандарте.

Примечание - U _s - амплитудное значение вторичного выходного сигнала ММТН для t < 0 (прежде, чем короткое замыкание произойдет). Эту упрощенную формулу необходимо применять при испытаниях на короткое замыкание в первичной цепи на калиброванном эталонном первичном напряжении. Только один раз использование эталона требуется для того, чтобы идентифицировать точный момент, в который происходит короткое замыкание.

6С.3.3.2.3 Повторное включение в линии с остаточными зарядами

Для t < 0

.

Для t  0

.

Тогда для t  0

.

Заменяя u _s(t) и u _p(t) на их выражения, получают

с

.

Первое выражение для  %(t) содержит только синусоидальные составляющие и является погрешностью ММТН в установившемся режиме. Если ММТН корректно настроен, то второе выражение для погрешности  %(t) с компонентом для переходного режима можно не учитывать.

Наихудший случай, когда u _{p dc}(0) = F _VU _s. Постоянная времени ММТН, компонент u _{s dc}(t), существенно влияет на выбор метода испытания. Имеется два метода - для большой постоянной времени и для малой постоянной времени.

6С.3.3.2.4 Малые значения постоянной времени

Если u _{s dc}(t) совпадает с постоянной времени менее чем 100 мс, то можно использовать испытательную схему, представленную на рисунке 6С.4.

Ref - высоковольтный эталонный делитель с таким же коэффициентом масштабного преобразования напряжения, как и у ММТН; Diff - калиброванный дифференциальный усилитель в необходимой полосе пропускания, определяемой по согласованию между потребителем и изготовителем, и ограниченной проходным фильтром

Рисунок 6С.4 - Испытательная установка для малых значений постоянной времени

Выражение e ₁(t) установлено для номинального напряжения и частоты; выражение е ₂(t) - для значения постоянного тока, равного номинальному пиковому значению, умноженному на коэффициент заземления F _V:

.

C _Line  1000 пФ для того, чтобы обеспечить спад первичного напряжения по крайней мере в 10 раз медленнее, чем спад вторичного напряжения ММТН в ситуации с остаточными зарядами (СВ1 и СВ2 разомкнуты)

Последовательность операций:

а)	СВ1 разомкнут	СВ2 замкнут	Заряжаются высоковольтные конденсаторы (C Line, ММТН и т.д.) до предписанного значения
b)	СВ1 разомкнут	СВ2 разомкнут	Изолируется источник высокого напряжения постоянного тока е 2 от источника переменного тока е 1
с)	СВ1 замкнут	СВ2 разомкнут	Имитация повторной коммутации с остаточным зарядом с номинальным значением U pn для составляющей переменного тока

6С.3.3.2.5 Большие значения постоянной времени

Если u _{s dc}(t) спадает с постоянной времени более, чем 100 мс, то можно использовать испытательную схему, представленную на рисунке 6С.5.

Ref - высоковольтный эталонный делитель с таким же коэффициентом масштабного преобразования напряжения, как и у ММТН; Diff - калиброванный дифференциальный усилитель с характеристикой полосы пропускания, ограниченной проходным фильтром, определяемой по согласованию между потребителем и изготовителем

Рисунок 6С.5 - Испытательная установка для больших значений постоянной времени

Форма волны е _р(t) изображена на рисунке 6С.6.

Рисунок 6С.6 - Типичная форма волны e _p(t) во время испытания