Приложение 6В (справочное). Переходные характеристики маломощных трансформаторов тока

Приложение 6В
(справочное)

Переходные характеристики маломощных трансформаторов тока

6В.1 Общие положения

Токи короткого замыкания в системе электроснабжения содержат переменный ток (АС) и составляющие переходного процесса. Одна из составляющих переходного процесса известна как постоянная составляющая (DC). Как будет описано ниже в данном приложении, переменная составляющая в системе энергоснабжения характеризуется частотой, в то время как постоянная составляющая экспоненциально уменьшается. Датчики тока, как традиционные электромагнитные ТТ, так и ММТТ, преобразуют токи короткого замыкания с некоторыми погрешностями. Большая погрешность при измерении сигнала переменного тока при наличии составляющих от короткого замыкания может повлиять на работу защитного реле, в то время как погрешность измерения постоянной составляющей, как правило, не имеет отношения к релейной защите с использованием алгоритмов на основе векторов, которые отфильтровывают постоянную составляющую. Однако постоянная составляющая может вызвать насыщение ММТТ, в конструкции которых есть нелинейные элементы, например ферромагнитный сердечник, что искажает представление о сигнале переменного тока. Погрешность измерения постоянной составляющей может зависеть от величины и продолжительности ее воздействия. Если ММТТ не насыщаемы и не имеют нелинейных элементов, то постоянные составляющие не оказывают влияния на погрешность измерения сигнала переменной составляющей.

Требования к традиционным ТТ с применением магнитных материалов, а также те, которые имеют нелинейную характеристику, представлены в МЭК 61869-2. ММТТ, основанные на различных технологиях, таких как оптические ТТ на эффекте Фарадея, которые являются достаточно линейными (линейность определяется электроникой) или катушки Роговского, в конструкции которых отсутствуют нелинейные компоненты, и не подвержены таким ограничениям, как традиционные ТТ с эффектом насыщения. Цель настоящего приложения состоит в том, чтобы обобщить преимущества применения ММТТ для улучшения переходных характеристик.

6В.2 Токи короткого замыкания в сети

Рисунок 6В.1 представляет собой упрощенную принципиальную схему системы энергоснабжения и иллюстрирует аварию (короткое замыкание) в сети. В нормальном режиме токи ограничены сопротивлением нагрузки. Когда происходит короткое замыкание, ток увеличивается и ограничивается внутренним сопротивлением источника и линии, которые намного меньше, чем импеданс нагрузки. Аварийный ток прерывается выключателем. Ток короткого замыкания смоделирован уравнением 6В.1 (предаварийный ток не представлен). Форма тока короткого замыкания показана на рисунке 6В.2. Первая часть в уравнении 1 представляет ослабление постоянной составляющей тока короткого замыкания, в то время как вторая часть - переменный сигнал. Если постоянная составляющая минимальна, то ток короткого замыкания считается симметричным.

R _S, L _S - импеданс источника; СВ - выключатель; F - авария (короткое замыкание); PS - система энергоснабжения; R, L - импеданс нагрузки

Рисунок 6В.1 - Упрощенная схема аварии в системе энергоснабжения

,

(6В.1)

где - мгновенное значение тока короткого замыкания;

- среднеквадратическое значение тока короткого замыкания;

- угол появления короткого замыкания;

- постоянная времени цепи первичного тока.

1 - ток короткого замыкания; 2 - постоянная составляющая; 3 - переменная составляющая

Рисунок 6В.2 - Переменная и постоянная составляющие тока короткого замыкания

Предполагая, что источник и линии являются фактически индуктивными, то симметричный ток короткого замыкания рассматривается для  = 90° (см. рисунок 6В.3), в то время как полное смещение тока короткого замыкания рассматривается для  = 0° (см. рисунок 6В.4).

1 - ток короткого замыкания; 2 - напряжение; 3 - угол появления короткого замыкания  = 90°

Рисунок 6В.3 - Симметричный аварийный ток

При возникновении аварии реле защиты посылают команду на отключение выключателя, который разрывает цепь. Прерывание аварийного тока происходит в пределах двух-пяти циклов после того, как реле запускает срабатывание выключателя. Так как большинство коротких замыканий являются самоустранимыми, то выключатель может быть разработан таким образом, что повторно замкнется спустя установленный промежуток времени. Если короткое замыкание не будет устранено, аварийный ток не прекратится, схема прерывания разорвется снова, и в большинстве случаев не будет срабатывать выключатель (произойдет блокировка электропитания). Поэтому в соответствии с требованиями стандартов МЭК работа ТТ должна быть испытана при двух последовательных циклах тока короткого замыкания.

1 - ток короткого замыкания; 2 - напряжение; 3 - угол появления короткого замыкания  = 0°

Рисунок 6В.4 - Асимметричный аварийный ток

Реальная система энергоснабжения - это сложная электрическая система (сеть), поэтому уравнение (6В.1) не соответствует точно оценке значений тока короткого замыкания. Оно дает только приблизительные значения. Переменная и постоянная составляющие тока короткого замыкания зависят от таких факторов, как постоянная времени цепи первичного тока, местоположение аварии и конфигурации сети. Постоянная времени цепи первичного тока постоянна, но вблизи с подстанцией она может быть продолжительной (например, 200 мс), а в нескольких километрах от подстанции (из-за сопротивления линии) - намного меньше (например, 60 мс). Величина тока короткого замыкания также зависит от местоположения аварии (расстояние от подстанции) и типа аварии. Для того чтобы должным образом определить требования к ТТ во время переходных процессов, параметры системы энергоснабжения должны быть точно установлены.

6В.3 Эквивалентная схема традиционного трансформатора тока

В большинстве случаев для применения реле соответствующий анализ переходной характеристики ТТ может быть выполнен с использованием упрощенной эквивалентной схемы ТТ, представленной на рисунке 6В.5.

Как правило, параметры ТТ, которые должны быть представлены, включают цепь намагничивания L _m (нелинейный элемент) и нагрузку ТТ. Обычно микропроцессорные реле являются устройствами с низкой нагрузкой, представляющие малое сопротивление для ТТ, и могут не учитываться. Поэтому нагрузка R _b для ТТ может быть представлена только сопротивлением провода ТТ и сопротивлением кабеля.

I _р - ток первичной обмотки (ток короткого замыкания в системе энергоснабжения); I _s - ток вторичной обмотки TT; L _m - цепь намагничивания TT; R _b - нагрузка TT; ICT - идеальный TT

Рисунок 6В.5 - Эквивалентная электрическая схема традиционного ТТ

У ТТ цепь намагничивания L _m имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, как показано на рисунке 6В.6.

Магнитный поток пропорционален интегралу напряжения.

1 - зона насыщения; 2 - точка перегиба; Y axis - магнитный поток; X axis - ток намагничивания

Рисунок 6В.6 - Вебер-амперная характеристика для традиционного ТТ без резонанса

Во время нормальной работы сопротивление цепи намагничивания намного выше, чем сопротивление нагрузки ТТ, так как только часть вторичных электрических токов ТТ протекает через цепь намагничивания. Для упрощенного представления можно считать, что цепь намагничивания разомкнута и может не учитываться.

Однако во время короткого замыкания, когда первичные токи высоки, напряжение в цепи намагничивания увеличивается и может превысить значение точки перегиба. Когда это произойдет, сопротивление цепи намагничивания быстро уменьшится (возникает насыщение) и ток через цепь намагничивания увеличится. Во время периодов насыщения большинство вторичных токов ТТ течет через цепь намагничивания и только часть тока - через нагрузку ТТ, что приводит к большой погрешности коэффициента преобразования ТТ. Для упрощенного представления можно считать, что нагрузка ТТ замкнута накоротко и токи через нагрузку ТТ не протекают. Ток во вторичной цепи имеет практически нулевое значение.

Вышеупомянутое пояснение подходит для изучения работы реле защиты во время насыщения ТТ. Эффект насыщения ТТ может быть более точно описан, как ослабление взаимоиндукции между первичной и вторичной обмотками. Когда ТТ насыщается, индукция вторичного тока ТТ уменьшается (не будет увеличиваться до того же уровня, как первичный ток), что приводит к большой погрешности коэффициента преобразования ТТ.

Во время установившегося режима насыщение ТТ зависит от величины его вторичного напряжения, которая является функцией вторичного тока ТТ и нагрузки ТТ. Для того чтобы избежать насыщения ТТ, вторичное напряжение должно быть ниже значения точки перегиба на вольт-амперной характеристике.

Во время переходного режима, такого как при коротком замыкании, поток зависит от переменной и постоянной составляющих первичного тока. Относительно длительная постоянная времени цепи первичного тока практически неизменна, и, вероятнее всего, точка перегиба будет достигнута. Для того чтобы избежать насыщения, размер сердечника ТТ может быть увеличен и/или уменьшена нагрузка.

Когда ток короткого замыкания будет прерван, магнитный сердечник быстро не возвратится к своим первоначальным условиям, так как переходной экспоненциальный ток продолжает протекать через вторичную цепь, уменьшающийся согласно постоянной времени цепи вторичного тока T _s. Вторичный ток, наведенный от первичного до момента его прекращения, именуют током затухания. Из-за высокой индуктивности ТТ постоянная времени цепи вторичного тока T _s может быть слишком большой по сравнению с постоянной времени цепи первичного тока Т _p. В зависимости от размера сердечника ТТ постоянная времени цепи вторичного тока ТТ может иметь значение T _s приблизительно от 2 до 5 с. Если какая-либо авария происходит перед этим падением тока, то совместное, а не отдельное воздействие двух аварий может вызвать насыщение ТТ.

Другой признанной проблемой для ТТ с сердечником без воздушного зазора является остаточное намагничивание. Так как материал сердечника ТТ имеет гистерезис, то, когда аварийный ток прерывается после насыщения ТТ, сердечник ТТ может сохранить остаточное намагничивание, как проиллюстрировано на рисунке 6В.7. Остаточное намагничивание не может снизиться и может сохраняться в сердечнике ТТ в течение длительного периода времени. Сердечник ТТ может сохранять остаточное намагничивание приблизительно 80 % остаточного намагничивания. Если короткое замыкание происходит, когда ТТ уже имеет остаточное намагничивание, тогда ТТ может насыщаться быстрее, чем если бы не было остаточного намагничивания. Это произойдет, когда остаточное намагничивание, вызванное аварийным током, добавится к остаточному намагничиванию. Однако если намагничивание вызвано аварийным током, протекающим в обратном направлении от сохраненного остаточного намагничивания, то ТТ, возможно, вообще не насыщается.

1 - зона насыщения; 2 - точка перегиба; 3 - остаточный (по)ток; Y axis - магнитный поток; X axis - ток намагничивания

Рисунок 6В.7 - Представление гистерезиса и остаточного намагничивания для традиционного ТТ

Общеприменимой практикой для того, чтобы уменьшить остаточный магнетизм, является введение воздушного зазора в сердечник. Однако воздушный зазор увеличивает производственные затраты и имеет негативное воздействие на другие эксплуатационные параметры.

6В.4 Типы трансформаторов тока

6В.4.1 Типы традиционных трансформаторов тока

Традиционные ТТ могут иметь высокую точность в установившемся режиме. Однако во время аварийных больших токов они могут насыщаться, приводя к искажению формы кривой вторичного тока и большим погрешностям преобразования. Остаточное намагничивание в сердечнике ТТ может способствовать более быстрому и более существенному насыщению. Для достижения характеристик, требуемых для работы релейной защиты, разработаны и применены различные конструкции традиционных ТТ, особенно это касается конструкции сердечника ТТ. Стандарты МЭК определяют требования для различных классов ТТ, таких как Р, PR, РХ, PXR, ТРХ, TPY и TPZ. Это приложение включает краткий обзор по защитным классам ТТ, представленным в таблице 6В.1 и определенных МЭК 61869-2:2012 (таблица 204).

Таблица 6В.1 - Защитные трансформаторы тока

Обозначение	Предел остаточного намагничивания	Комментарии
Р	Нет а)	Обозначение/ТТ для удовлетворения требованиям полной погрешности в условиях тока короткого замыкания в симметричном установившемся режиме
PR	Есть
РХ	Нет а), b)	Обозначение/ТТ с установленной характеристикой намагничивания
PXR	Есть b)
ТРХ	Нет a)	Обозначение/ТТ для удовлетворения требований к погрешности переходной характеристики в условиях несимметричного тока короткого замыкания
TPY	Есть
TPZ	Есть
a) Несмотря на отсутствие предела остаточного намагничивания воздушные зазоры допускаются, например в ТТ с разъемным магнитопроводом. b) Для проведения различия между РХ и PXR применяют критерии остаточного намагничивания.

6B.4.2 Типы ММТТ

Есть несколько различных типов ММТТ, требования к которым перечислены в серии стандартов МЭК 61869. МЭК 61869-8 содержит требования к электронным ТТ, таким как оптические ТТ. МЭК 61869-10 содержит требования к ММТТ с магнитным сердечником и катушкам Роговского. Общие требования к электронным ТТ и ММТТ, приведены в МЭК 61869-1 и в настоящем стандарте. МЭК 61869-9 устанавливает требования к цифровому выходному интерфейсу ИТ.

Технология оптических ТТ основана на эффекте Фарадея - явлении, при котором ориентация поляризованного света пропорциональна силе компонента магнитного поля в направлении оптического пути. Переходная характеристика определена электроникой. Для применений с реле сконструированы выходы ММТТ, в которых напряжение на выходе вторичной обмотки при номинальном токе, как правило, составляет 200 мВ и полоса пропускания частоты от 0,5 Гц до 10 кГц.

ММТТ с магнитным сердечником имеют схожую конструкцию с традиционными ТТ, но в них используют магнитный сердечник минимального размера, позволяющий реализовать конструкцию меньших размера и веса. Внутренний резистор подключен к терминалам вывода, воспроизводя выходное напряжение, прямо пропорциональное току. При выборе такого ММТТ следует учитывать, что из-за воздействия магнитного сердечника они могут насыщаться подобно традиционному ТТ. Обычно вторичное выходное напряжение при номинальном токе составляет 22,5 мВ.

Катушки Роговского имеют линейную вольт-амперную характеристику, так как обмотка намотана на немагнитный сердечник. Когда критерии расчета соблюдены, катушки Роговского достигают высокого уровня точности, и такой датчик может быть использован как для измерения, так и для защиты. Они производят выходное напряжение, которое является производной первичного тока от времени d _i(t)/d _t. Катушки Роговского являются частотно-зависимыми устройствами с линейной амплитудно-частотной характеристикой. Катушки Роговского не могут насыщаться и могут быть применены в системах с большим током и большим значением постоянной составляющей. Как правило, напряжение на выходе вторичной обмотки при номинальном токе составляет значение 22,5 или 150 мВ с полосой пропускания частот от 0,1 Гц до более чем 1 МГц (в зависимости от конструкции).

ММТТ класса ТРЕ создан для применения с релейной защитой. Точность определена самой высокой допустимой полной погрешностью от предела номинальной точности, предписанного для данного класса точности. Класс ТРЕ предназначен для защитных электронных ТТ в переходном режиме. Класс ТРЕ характеризуется погрешностью мгновенного тока порядка 10 % при условиях заданной постоянной времени первичной цепи и при работе в нормированном рабочем цикле. Погрешность мгновенного тока включает постоянные и переменные составляющие. Это соответствует определению TPY-класса ТТ.

6В.5 Переходная характеристика трансформаторов тока

6В.5.1 Переходная характеристика традиционных трансформаторов тока

Когда токи короткого замыкания возникают в первичной цепи тока с малой постоянной времени, то ТТ не насыщаются, и можно использовать ТТ без воздушных зазоров. Однако следует отслеживать, чтобы ТТ не насыщался в установившемся режиме.

Когда токи короткого замыкания большие и постоянная составляющая является существенной, то должна быть определена переходная характеристика ТТ без воздушных зазоров и выбран соответствующий ТТ. Для того чтобы избежать насыщения, ТТ должны быть установленного размера или иметь конструкцию системы защиты, которая будет быстро срабатывать до насыщения ТТ. В большинстве случаев, когда авария происходит с большой постоянной составляющей тока короткого замыкания, ТТ не будет насыщаться в первые несколько миллисекунд после начала аварии. Однако следует учесть, что остаточное намагничивание может уменьшить время насыщения.

Классы ТТ с воздушным зазором, такие как TPZ, TPY, PR и PRX, часто используются тогда, когда необходимо избежать насыщения и уменьшить влияние остаточного намагничивания. Воздействие воздушного зазора на вольт-амперную характеристику показано в рисунке 6В.8. Воздушный зазор минимизирует остаточное намагничивание и влияние постоянной составляющей на переходную характеристику ТТ. Однако постоянная составляющая тока короткого замыкания не может быть корректно передана на вторичную цепь, и угол фазового сдвига больше, чем у традиционного защитного класса ТТ.

1 - ТТ без воздушного зазора; 2 - ТТ с воздушным зазором; Y axis - магнитный поток; X axis - ток намагничивания

Рисунок 6В.8 - Сравнение характеристик поток-тока для ТТ с воздушным зазором и ТТ без воздушного зазора

Если угол фазового сдвига должен оставаться малым, то следует применять ТТ класса TPY. В этой конструкции размер магнитного сердечника увеличен для того, чтобы избежать насыщения. В зависимости от постоянной времени цепи первичного тока требуемое увеличение размера сердечника ТТ может быть существенным. Если принять, что отсутствует остаточное намагничивание в сердечнике ТТ, то для того, чтобы избежать насыщения для максимального смещения по постоянному току, величина переходного коэффициента K _tf, определяется уравнением K _tf = 1 + Т _р. Например, для T _р = 100 мс, K _tf = 32 для частоты 50 Гц. Воздушный зазор в сердечнике ТТ уменьшает остаточное намагничивание. Погрешность в переходном режиме включает и постоянную, и переменную составляющие тока короткого замыкания.

На рисунке 6В.9 представлены первичный ток со смещением по постоянному току и вторичный ток ТТ, искаженный вследствие насыщения ТТ, вызванного первичным током постоянной составляющей. На рисунке 6В.10 приведены среднеквадратическое значение первичного тока (включает постоянную и переменную составляющие), среднеквадратическое значение только переменной составляющей и среднеквадратическое значение переменной составляющей для насыщенного ТТ. Заштрихованная область на рисунке 6В.10 - это первичный ток переменной составляющей, который не передан во вторичную цепь ТТ из-за его насыщения. Это приводит к уменьшению значения тока короткого замыкания, передаваемого на реле, что не позволяет правильно функционировать релейной защите.

1 - первичный ток; 2 - вторичный ток, искаженный вследствие насыщения TT

Рисунок 6В.9 - Вторичный ток, искаженный вследствие насыщения ТТ

1 - первичный ток со смещением по постоянному току; 2 - переменная составляющая для ненасыщенного ТТ; 3 - переменная составляющая для насыщенного ТТ; Y axis - среднеквадратическое значение тока

Заштрихованная область среднеквадратического значения тока вторичной обмотки, которую реле не воспринимает, из-за насыщения ТТ.

Рисунок 6В.10 - Переменная составляющая для ненасыщенного и насыщенного ТТ

6В.5.2 Переходная характеристика ММТТ

ММТТ имеют более широкий диапазон применений, чем традиционные ТТ. Они не насыщаются при больших токах, и большие значения постоянной составляющей не оказывают влияния на их рабочие характеристики. Переменная составляющая тока короткого замыкания первичной цепи может быть корректно передана (без искажения) во вторичную цепь ММТТ. Решения, предназначенные для защиты, основанные на ММТТ, могут использовать низкую частоту среза (ниже 1 Гц). ТРЕ-класс ТТ имеет низкую частоту среза (обусловленную постоянной времени вторичной цепи ММТТ), что позволяет получить значение пиковой погрешности мгновенного значения постоянной составляющей тока короткого замыкания ниже, чем 10 %. Более длительная постоянная времени цепи первичного тока требует более низкой частоты среза, для того чтобы получить ту же пиковую погрешность мгновенного значения постоянной составляющей тока короткого замыкания.

Если ММТТ применяют в сети с более длительной постоянной времени цепи первичного тока, чем номинальное время, или нижняя граница частоты среза ММТТ выше, чем указанная для ТРЕ-класса, то пиковая погрешность мгновенного значения постоянной составляющей тока короткого замыкания возрастает. Однако если у ММТТ рабочая характеристика достаточно линейна, то пиковая погрешность мгновенного значения переменной составляющей тока короткого замыкания останется низкой или в границах нормированных пределов. Поведение переходной характеристики соответствует TPZ-классу традиционных ТТ. Так как алгоритмы защитного реле, как правило, зависят только от пиковых погрешностей мгновенного значения переменной составляющей тока короткого замыкания, то воздействие на работу реле может быть минимальным. Если рабочая характеристика ММТТ нелинейная, то пиковая погрешность мгновенного значения переменной составляющей тока короткого замыкания увеличится и может превысить допустимый предел. Поэтому изготовители должны определить допустимые значения пиковой погрешности мгновенного значения переменной составляющей тока короткого замыкания для их применения.

Пример - Допустим, номинальная постоянная времени цепи первичного тока - 60 мс, которая эквивалентна частоте 2,67 Гц, и ММТТ, разработанный с низкой частотой среза 0,5 Гц. Это удовлетворяет пределам погрешности для ММТТ класса ТРЕ. Если по какой-либо причине первичный аварийный ток будет иметь более длительную постоянную времени, например 200 мс (эквивалентная частота 0,8 Гц), то погрешность постоянной составляющей будет выше, но не будет оказывать влияния на погрешность переменной составляющей тока короткого замыкания. Поэтому воздействие на работу защитного реле может быть минимальным.

Требования к частоте среза также нормированы настоящим стандартом, в котором определены границы частотной характеристики для цифрового выходного интерфейса ММИТ и определены низкие и высокие частоты среза. Дополнение измерительных функций ММИТ сигналом постоянного тока также допустимо. Стандарты МЭК нормируют амплитудно-фазовые характеристики в пределах границ полосы пропускания, для того чтобы обеспечить возможность взаимодействия с защитными устройствами и ослабление полосы пропускания для предотвращения эффектов алиасинга. Переходную зону не указывают с целью возможности применения различного аппаратного и программного обеспечения.

Данные системы могут передавать переменную составляющую тока короткого замыкания с малыми погрешностями, удаляя частично или полностью постоянную составляющую тока короткого замыкания. Это подразумевает, что постоянная времени цепи первичного тока может быть длительной и не оказывать влияния на точность измерения переменной составляющей тока короткого замыкания.

6В.6 Заключение

Традиционные ТТ с магнитным сердечником могут насыщаться во время коротких замыканий. Главная причина насыщения - это ток короткого замыкания с постоянной составляющей. ТТ могут иметь соответствующие размеры для того, чтобы избежать насыщения, или в некоторых случаях может быть применена система защиты, которая должна срабатывать достаточно быстро до того, как ТТ насыщался. Воздушный зазор в сердечнике ТТ уменьшают поток остаточного намагничивания и воздействие постоянной составляющей.

ММТТ обладают более широким диапазоном применений, чем традиционные ТТ. ММТТ, такие как оптические ТТ и катушки Роговского, имеют линейные характеристики и не насыщаются. Они могут быть применены при работе в режиме короткого замыкания, создающего большие токи и большие составляющие постоянного тока. Однако они требуют, чтобы электроника вырабатывала сигнал, соответствующий разработанным реле, и они принимали такие типы сигналов. Решения защиты, основанные на ММТТ, могут быть использованы на низкой частоте среза. Постоянная составляющая может быть отфильтрована, но составляющую переменного тока следует точно представлять.