Приложение А (справочное). Переходные характеристики электронных трансформаторов тока

Приложение А
(справочное)

Переходные характеристики электронных трансформаторов тока

А.1 Введение

Любой трансформатор (электромагнитный или электронный) передает составляющие переходных процессов на переменном и постоянном токах с различными мгновенными погрешностями. Такие погрешности при наличии составляющих на переменном токе влияют на функционирование защитных реле, а на постоянном токе обычно не существенны для алгоритмов защиты, тем не менее их наличие может отразиться на регистраторе, который будет иметь неполадку от этого переходного процесса. Нелинейность ЭТТ может исказить воспроизведенную составляющую переходного процесса на переменном токе, мгновенная погрешность которой зависит от входной амплитуды и величины составляющей переходного процесса на постоянном токе.

Детальный анализ переходных процессов, требуемых для некоторых областей применения, приведен в МЭК 60044-6. Однако этот стандарт предназначен только для традиционной технологии, использующей электромагнитные материалы. Многие ЭТТ, основанные на других технологиях, подобно датчикам Фарадея или катушкам Роговского не имеют таких ограничений, как обычные, и предоставляют потребителю большую гибкость относительно составляющих переходных процессов на первичном постоянном токе. Цель этого приложения - проиллюстрировать для пользователей преимущества применения ЭТТ при передаче переходных процессов.

А.2 Ток короткого замыкания в сети

Для определения тока короткого замыкания в сети электрическая цепь может быть эквивалентна представленной на рисунке 1.

Рисунок А.1 - Эквивалентная электрическая цепь сети

Приблизительное выражение для мгновенного значения тока короткого замыкания, имеющего симметричную составляющую , может быть записано как:

,

где - постоянная времени первичной цепи (выраженная отношением L/R электрических компонентов, представленных на рисунке А.1).

Первая часть уравнения характеризует переходный процесс, который добавляется к установившемуся току для осуществления непрерывности, обусловленной реактивными компонентами сети. Эта часть присутствует только тогда, когда фазовое смещение между первичным напряжением и током отличается от его значений до и после первичного замыкания. Если фазовое смещение остается неизменным ( = 90%), то происходит коллапс переходного процесса.

Вторая часть уравнения описывает временную эволюцию первичного тока в стабильном состоянии.

Чтобы избежать коротких замыканий, выключатель цепи должен быть разомкнут. Так как многие из них являются результатом атмосферных перенапряжений на линейном изоляторе, автоматические циклы на короткое время отключают выключатель цепи, чтобы избежать неисправностей, а затем включают, и он продолжает снабжать сеть. При реальной неисправности короткое замыкание возникает во второй раз, когда прерыватель цепи включен. Чтобы определить поведение ЭТТ во время переходных процессов, необходима комбинация двух токов (как описано в 3.3.9).

Однако короткое замыкание в сети обычно заканчивается появлением различных дополнительных экспоненциальных токов (см. рисунок А.2), поэтому описание токов этой формулой является приблизительным. С другой стороны, симметричная амплитуда и постоянная времени первичной цепи изменяются с изменением местоположения короткого замыкания и конфигурации сети, при которой оно возникает. Из-за наличия силовых трансформаторов на подстанции постоянная времени первичной цепи может быть очень большой (например, 200 мс), если короткое замыкание происходит рядом с подстанцией, и более низкой, если оно возникает в нескольких километрах от нее, вследствие резистивной части линии (например, 60 мс). зависит также от конкретной ситуации возникновения замыкания.

Рисунок А.2 - Комплексная эквивалентная электрическая цепь во время короткого замыкания

Определение параметров тока является сложной задачей, и для правильного нормирования ЭТТ принимают во внимание несколько предположений. Также это сложно из-за поведения трансформаторов, на которые влияют характеристики первичного тока короткого замыкания и вторичных цепей, объяснение чему представлено в следующем разделе.

А.3 Эквивалентная цепь электромагнитного трансформатора тока во время короткого замыкания

Для анализа поведения ЭТТ во время короткого замыкания использована эквивалентная цепь, представленная на рисунке А.3.

Рисунок А.3 - Эквивалентная электрическая цепь ЭТТ во время короткого замыкания

Первичный ток представлен его источником, вторичная цепь - сопротивлением нагрузки (включая сопротивление проводов), ЭТТ - только реактивным сопротивлением (магнитным сопротивлением катушки).

Сложности связаны с нелинейностью этого сопротивления, когда происходит насыщение сердечника. Для упрощения его можно рассматривать как открытую цепь, в которой сердечник не насыщен; в этом случае погрешность незначительна (почти нулевая). Когда наступает насыщение, возникает короткое замыкание, весь первичный ток проходит через сопротивление и погрешность очень высокая. Ток во вторичной цепи достигает нуля.

Насыщение происходит, когда магнитный поток, являющийся результатом интегрирования напряжения (см. рисунок А.3), достигает точки изгиба кривой насыщенности (см. рисунок А.4).

Рисунок А.4 - Магнитное реактивное сопротивление ЭТТ без остаточного магнетизма

В стабильном состоянии насыщение сердечника непосредственно связано с амплитудой , что зависит от тока и напряжения, которые являются главными параметрами для предотвращения насыщения.

Во время переходных процессов магнитный поток является результатом нарастания , которое включает синусоидальную часть и часть с постоянным током, идущим от тока короткого замыкания. Чем выше постоянная времени первичной цепи, тем более часто достигается точка изгиба. Во избежание насыщения в течение переходного процесса из-за компонентов постоянного тока необходимо существенное увеличение размера сердечника.

Когда ток короткого замыкания прекращается, магнитный сердечник не способен немедленно возвратиться в начальные условия. Постоянная времени переходного экспоненциального тока, проходящего через вторичную цепь, определяется постоянной времени вторичной цепи ( = L/Rb). Вследствие высокого значения реактивного сопротивления катушки эта постоянная должна быть очень высокой по сравнению с постоянной времени первичной цепи (например, может достигать 2, 3, ... 5 с в зависимости от размера катушки).

Если новое короткое замыкание появляется прежде, чем магнитный поток начинает снижаться, то возможно его увеличение перед уменьшением насыщения.

Другая проблема возникает в момент прекращения короткого замыкания. Если сердечник выполнен без воздушного промежутка, то может быть получен ток остаточного магнетизма, что является очень важным аспектом появления нового короткого замыкания. Возможность возрастания потока перед насыщением значительно уменьшена (в некоторых случаях остаточный поток может достигать 80% потока насыщения).

Рисунок А.5 - Магнитное реактивное сопротивление ЭТТ с остаточным магнетизмом

А.4 Классы точности для электромагнитных трансформаторов тока

А.4.1 Общие положения

Технологические решения ЭТТ могут быть осуществлены с помощью катушек подходящей конструкции, ограниченных в настоящее время определенными нормами, а новые проекты должны учитывать различные условия применения. Поэтому в соответствующих стандартах даны различные защитные классы ЭТТ, краткое описание которых представлено в МЭК 60044-1 и МЭК 60044-6. Защитные классы в МЭК 60044-1 основаны на испытаниях в установившемся состоянии, в МЭК 60044-6 - на испытаниях в переходных режимах.

А.4.2 Классы точности в установившемся режиме

А.4.2.1 Традиционный класс Р по МЭК 60044-1

Когда ток короткого замыкания невысок по сравнению с номинальным и имеется достаточно времени для его предотвращения в цепи, могут быть использованы классические электромеханические и современные электронные аналоговые или цифровые реле. Постоянная времени первичной цепи в этом типе электрических цепей в целом незначительна, поэтому переходным током можно пренебречь. Для этого используют традиционный класс Р. Цель защиты - исключить насыщение в стабильном состоянии (во внимание должны приниматься только значения тока короткого замыкания и нагрузки).

А.4.2.2 Новые классы PR и РХ по МЭК 60044-1

Когда ток короткого замыкания высок, последствия очень опасны, поэтому необходимо их устранить в короткое время. Эта проблема решена в период 70-х годов определением классов функционирования переходных характеристик (см. А.4.3), проверка которых дорогостояща, и подобный принцип работы ЭТТ необходим не всегда. Например, в некоторых случаях достаточно установить условия, при которых насыщения удается избежать расчетом напряжения для точки изгиба (см. рисунки А.3 и А.4), что является целью нового класса РХ, основанного на длительном практическом опыте двоичного вычитания.

Класс PR - определяющий для различных реле, когда избежать тока короткого замыкания необходимо настолько быстро, насколько возможно. Время реакции защитных реле очень мало (например, 5 мс). Даже для составляющих постоянного тока увеличение магнитного потока в течение этого короткого времени незначительно для насыщения сердечника, которое может произойти позднее, но уже без критических последствий. Единственным условием является недопущение остаточного магнитного потока, для чего каждый ЭТТ должен быть подключен к различным защитным реле при одинаковых начальных состояниях.

А.4.3 Классы защиты для переходных режимов по МЭК 60044-6

Стандарт МЭК 60044-6 определяет специальные классы (подобные TPS, TPX, TPY, TPZ) и обеспечивает детальный анализ переходных характеристик, необходимых для некоторых областей применения: завершают серию защитных классов Р, PR и РХ, описанных в МЭК 60044-1.

Объяснение различий между этими классами не является целью данного приложения, и подробное описание можно найти в МЭК 60044-6.

Классы TPZ и TPY очень часто используются для современных дистанционных защитных реле. Цель для класса TPZ - избежать насыщения сердечника вследствие составляющей постоянного тока, для чего в нем предусмотрен большой воздушный зазор. В результате должны измениться характеристики магнитного сопротивления, как показано на рисунке А.6.

Рисунок А.6 - Магнитное реактивное сопротивление ЭТТ для TPZ

Кроме того, могут быть устранены остаточный магнетизм и влияние компонента постоянного тока. Вторичный выход не дает правильного представления о его составляющей, и фазовая погрешность значительно больше, чем у традиционного класса защиты. Для TPZ класса она базируется только на составляющей промышленной частоты.

Если фазовую погрешность необходимо уменьшить, то применяют TPY класс, для которого размер магнитного сердечника увеличен во избежание насыщения, даже если присутствует составляющая постоянного тока. Сложность возникает вследствие сильного влияния этого размера на магнитный поток, требующий его увеличения. Повышающий коэффициент задается как k = (1 + ) (например, для постоянной времени первичной цепи 100 мс при промышленной частоте 50 Гц k выше 30).

Данный эффект должен изменить характеристики магнитного сопротивления, как показано на рисунке А.7.

Рисунок А.7 - Магнитное реактивное сопротивление ЭТТ для TPY класса

Из-за размера сердечника поток насыщения очень высок и через воздушный зазор поток остаточного намагничивания не попадает. Погрешность нормируется в переходном режиме и включает составляющие постоянного тока и тока промышленной частоты. Такое определение включено в настоящий стандарт для ЭТТ.

А.5 Класс ТРЕ

Класс ТРЕ характеризуется максимальной пиковой мгновенной погрешностью 10% при условиях, соответствующих пределам точности и номинальной постоянной времени первичной цепи при номинальном цикле работы. Мгновенная пиковая погрешность оценивает в совокупности погрешности переходных процессов для составляющих постоянного и переменного токов.

Таким образом, класс ТРЕ соответствует общим требованиям к применению ЭТТ в качестве защитных и для регистрации переходных процессов.

ЭТТ для работы на переменном токе обычно имеют характеристики значительно ниже номинальной частоты. Класс ТРЕ не нормирует максимально низкой частоты (или постоянной времени вторичной цепи) ЭТТ. Например, номинальная постоянная времени первичной цепи = 120 мс означает пропускание достаточно низкой частоты (максимально 0,15 Гц) для системы первого порядка, чтобы мгновенная погрешность составляющей постоянного тока при переходном процессе была ниже 10%. Более высокая постоянная времени первичной цепи требует более низкой частоты пропускания для получения той же пиковой мгновенной погрешности составляющей постоянного тока при переходном процессе.

Если ЭТТ применяется в сети с более высокой постоянной времени первичной цепи, чем номинальная постоянная времени, или в эквивалентной сети и имеет более высокую частоту пропускания (более низкая постоянная времени вторичной цепи), чем требуется для класса ТРЕ, то требования к мгновенной погрешности составляющей постоянного тока при переходном процессе возрастают. Если ЭТТ достаточно линеен, то мгновенная погрешность остается низкой или находится в пределах указанных ограничений. Переходная характеристика аналогична обычной для ЭТТ класса TPZ. Так как алгоритмы защиты зависят только от мгновенной погрешности переменного тока, то такой ЭТТ может использоваться без ограничений. Однако интерпретация данных регистратора о погрешности переходного процесса требует знания постоянной времени вторичной цепи. Если ЭТТ нелинеен в значительной степени, то мгновенная погрешность переменного тока может превысить возможный предел. Поэтому изготовитель должен определить эту характеристику для данного применения.

А.6 Сравнение класса ТРЕ с обычными классами при переходных процессах

Выше определенного уровня сигналов почти каждая система становится нелинейной. Однако следует рассмотреть два случая в соответствии с частотными характеристиками.

1) Система без подавления составляющей постоянного тока

Такая система типична для обычной технологии использования магнитных материалов. Любая составляющая постоянного тока в первичной цепи вызывает подавление постоянного тока при магнитной индукции, которая уменьшает линейную зону, доступную для составляющей переменного тока. Кроме того, из-за гистерезиса, если нет другого подавления (например, с помощью воздушных промежутков), материал запоминает прежнюю историю магнитной индукции. Поэтому принцип работы ЭТТ, подвергавшегося переходным процессам, зависит от нее и все может завершиться насыщением, так как из-за влияния применяемого первичного тока постоянно добавляется новое намагничивание. По этой причине традиционный ЭТТ в переходном режиме должен быть проверен при соответствующем рабочем цикле.

2) Система с подавлением составляющей постоянного тока

Характеристики такой системы, ограниченные нижней частотой, не способны передать какие-либо компоненты постоянного тока. Это типичный случай для любой системы, имеющей функцию передачи в следующей форме:

,

где - нижняя частота среза, a f - частота сети.

Когда такая система подвергается первичному току, описанному в разделе А.2, и настроена должным образом, то может передавать составляющие переменного тока с низкими погрешностями при устранении части или всех составляющих постоянного тока.

В этом случае постоянная времени первичной цепи может изменяться до очень больших значений без влияния на точность измерения составляющих переменного тока.

Пример

Примем номинальное значение постоянной времени первичной цепи за 60 мс при эквивалентной частоте 2,67 Гц для ЭТТ, предназначенного для работы при критической частоте 0,5 Гц. Погрешности в переходном режиме соответствуют классу точности 5ТРЕ (см. 13.1.3) для составляющих как переменного, так и постоянного тока. Если по какой-либо причине возникает первичное замыкание с постоянной времени больше 200 мс, что можно сравнить с эквивалентной частотой 0,8 Гц, то погрешность будет больше, но для переменного тока останется прежней, и реле обеспечит корректную защиту.

ТРЕ класс имеет большое преимущество в определении номинального значения постоянной времени первичной цепи и амплитуды тока короткого замыкания () для данной сети вследствие высокой чувствительности ЭТТ к постоянной времени первичной цепи.

Другое преимущество определяется относительной независимостью точности аналогового выхода от нагрузки во вторичной цепи, в то время как на цифровом выходе наблюдается несоответствие точности.