Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 58669-2019 "Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Релейная защита. Трансформаторы тока измерительные индуктивные с замкнутым магнитопроводом для защиты. Методические указания по определению времени до насыщения при коротких замыканиях" (утв. и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 19 ноября 2019 г. N 1195-ст)

United power system and isolated power systems. Relay protection. Inductive measuring current transformers for protection with a closed magnetic circuit. Methodology guidelines for determination of time to saturation during short circuits

ОКС 27.010

Дата введения - 1 января 2020 г.
Введен впервые

Предисловие

1 Разработан Акционерным обществом "Системный оператор Единой энергетической системы" (АО "СО ЕЭС")

2 Внесен Техническим комитетом по стандартизации ТК 016 "Электроэнергетика"

3 Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 19 ноября 2019 г. N 1195-ст

4 Введен впервые

Введение

Положения настоящего стандарта направлены на обеспечение выполнения требований правил [1] (пункт 128), в соответствии с которыми технические характеристики трансформаторов тока и подключенных к ним устройств релейной защиты в совокупности должны обеспечивать правильную работу устройств релейной защиты при коротких замыканиях, в том числе при возникновении апериодической составляющей тока.

Определение времени до насыщения трансформаторов тока необходимо для:

- выбора трансформаторов тока с учетом требований производителей устройств релейной защиты при новом строительстве, реконструкции и техническом перевооружении объектов электроэнергетики;

- выбора устройств релейной защиты при создании новых или модернизации существующих устройств релейной защиты на существующих трансформаторах тока;

- проверки правильности функционирования устройств релейной защиты в переходных режимах при коротких замыканиях на существующих трансформаторах тока.

1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт устанавливает методы расчета времени до насыщения измерительных индуктивных трансформаторов тока для защиты с замкнутым магнитопроводом при коротких замыканиях (классов точности Р, РХ и ТРХ), определяет исходные данные, необходимые для применения каждого из методов, устанавливает требования по подготовке к проведению расчетов времени до насыщения измерительных индуктивных трансформаторов тока и порядок выполнения указанных расчетов с использованием каждого из установленных методов.

1.2 Настоящий стандарт предназначен для применения собственниками и иными законными владельцами объектов электроэнергетики, субъектами оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике, проектными организациями, организациями, осуществляющими создание новых или модернизацию существующих устройств релейной защиты.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 15150 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды

ГОСТ 18685 Трансформаторы тока и напряжения. Термины и определения

ГОСТ 19693 Материалы магнитные. Термины и определения

ГОСТ 22483 (IEC 60228:2004) Жилы токопроводящие для кабелей, проводов и шнуров

ГОСТ 26522 Короткие замыкания в электроустановках. Термины и определения

ГОСТ Р 52735 Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кВ

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины, определения и сокращения

3.1 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 18685, ГОСТ 26522, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1.1 ветвь вторичного тока трансформатора тока: Цепь, образуемая вторичной обмоткой и присоединенной к ней вторичной цепью трансформатора тока.

3.1.2 вольтамперная характеристика; ВАХ: Выраженная графически или табличным способом зависимость между действующими значениями тока и напряжения на вторичной обмотке при приложении к последней синусоидального напряжения, причем первичная и все остальные обмотки разомкнуты.

3.1.3 время до насыщения трансформатора тока: Время до насыщения вторичной обмотки для защиты измерительного индуктивного трансформатора тока с замкнутым магнитопроводом при коротких замыканиях.

3.1.4 коэффициент остаточной намагниченности K_r: Отношение остаточного потокосцепления к потокосцеплению насыщения , выраженное в относительных единицах или процентах.

Примечание - Коэффициент остаточной намагниченности можно также выразить в виде отношения B_r/В_нас, что соответствует коэффициенту прямоугольности предельной петли гистерезиса в соответствии с ГОСТ 19693.

3.1.5 коэффициент переходного режима (переходный коэффициент) K_п.р(t): Функция, характеризующая изменение во времени отношения мгновенного значения потокосцепления при наличии апериодической составляющей в первичном токе к амплитудному значению потокосцепления, которое имело бы место при токе номинальной предельной кратности, не содержащем апериодической составляющей.

Примечание - Переходный коэффициент численно равен отношению мгновенного значения тока погрешности при наличии апериодической составляющей к амплитудному значению тока погрешности при токе номинальной предельной кратности, не содержащем апериодической составляющей.

3.1.6 номинальная мощность вторичной нагрузки трансформатора тока (номинальная мощность трансформатора тока) S_н.ном: Значение полной мощности (в вольт-амперах при установленном коэффициенте мощности), которую трансформатор тока должен передавать во вторичную цепь при номинальном вторичном токе и номинальной нагрузке.

Примечание - Номинальная мощность трансформатора тока является номинальной нагрузкой, выраженной в вольт-амперах при установленном коэффициенте мощности.

3.1.7 номинальный вторичный ток трансформатора тока I_2ном: Указанное в паспорте действующее значение вторичного тока, при котором трансформатор тока рассчитан функционировать в течение срока службы.

3.1.8 номинальный первичный ток трансформатора тока I_1ном: Указанное в паспорте действующее значение первичного тока, при котором трансформатор тока рассчитан функционировать в течение срока службы.

3.1.9 номинальная предельная кратность трансформатора тока K_ном: Наибольшая кратность первичного синусоидального тока по отношению к его номинальному значению при номинальной вторичной нагрузке, при которой полная погрешность не превышает полной погрешности, заданной классом точности.

3.1.10 остаточная (начальная) магнитная индукция B_r: Магнитная индукция, сохраняющаяся в ферромагнитном веществе при изменении напряженности магнитного поля от некоторого значения до нуля.

3.1.11 остаточное потокосцепление : Значение потокосцепления, определяемое магнитным потоком, остающимся в магнитопроводе после отключения тока с амплитудным значением, обеспечивающим потокосцепление насыщения .

Примечание - Остаточная магнитная индукция В_r - магнитная индукция, соответствующая остаточному потокосцеплению .

3.1.12 параметр режима А: Отношение потокосцепления насыщения к амплитуде потокосцепления, созданного периодической составляющей тока короткого замыкания при фактическом сопротивлении ветви вторичного тока трансформатора тока.

3.1.13 постоянная времени вторичного контура трансформатора тока T_s: Постоянная времени контура, образуемого вторичной обмоткой трансформатора тока и присоединенной к ней внешней электрической цепью, определяемая отношением суммы индуктивностей намагничивания, рассеяния вторичной обмотки и нагрузки к суммарному активному сопротивлению вторичной обмотки и нагрузки.

3.1.14 потокосцепление насыщения обмотки трансформатора тока : Максимальное значение магнитного потока, соответствующее насыщению материала магнитопровода трансформатора тока, умноженное на число витков обмотки.

Примечание - Магнитная индукция насыщения B_нас - максимальное значение магнитной индукции, соответствующее потокосцеплению насыщения обмотки трансформатора тока .

3.1.15 трансформатор тока для защиты класса точности Р (трансформатор тока класса Р): Трансформатор тока для защиты, для которого не задается требование ограничения остаточного потокосцепления, а уровень насыщения определяется в установившемся режиме короткого замыкания действующим значением периодического тока при значениях всех прочих параметров, соответствующих номинальным данным.

3.1.16 трансформатор тока для защиты класса точности РХ (трансформатор тока класса РХ): Трансформатор тока для защиты с пренебрежимо малым реактивным сопротивлением рассеяния, для которого не задано требование ограничения остаточного потокосцепления и известны характеристика намагничивания, активное сопротивление вторичной обмотки, сопротивление вторичной нагрузки и коэффициент трансформации.

3.1.17 трансформатор тока для защиты класса точности ТРХ (трансформатор тока класса ТРХ): Трансформатор тока для защиты, для которого не задается требование ограничения остаточного потокосцепления, а уровень насыщения определяется в переходном режиме короткого замыкания максимальным значением мгновенной погрешности при значениях всех прочих параметров, соответствующих номинальным данным.

3.1.18 фактическая кратность первичного тока трансформатора тока K_факт: Кратность фактического первичного тока по отношению к его номинальному значению.

3.1.19 характеристика намагничивания трансформатора тока В_m = f(H): Зависимость амплитудного значения магнитной индукции в магнитопроводе от действующего значения напряженности магнитного поля в нем, снятая при подведении ко вторичной обмотке трансформатора тока синусоидального напряжения.

3.1.20 эквивалентная постоянная времени T_р.экв: Постоянная времени затухания свободной апериодической составляющей тока, затухающей по экспоненциальному закону, которой заменяют сумму свободных апериодических составляющих, имеющих неодинаковые начальные значения и постоянные времени затухания.

3.2 Сокращения

В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

ВАХ - вольтамперная характеристика трансформатора тока;

КЗ - короткое замыкание;

ЛЭП - линия электропередачи;

ОРУ - открытое распределительное устройство;

ПХН - прямоугольная характеристика намагничивания;

ТТ - трансформатор тока;

ЭДС - электродвижущая сила.

4 Общие положения

4.1 В зависимости от объема сведений о ТТ, имеющихся у собственников и иных законных владельцев объектов электроэнергетики, субъектов оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике, проектных организаций, организаций, осуществляющих создание новых или модернизацию существующих устройств релейной защиты, следует использовать один или несколько из следующих методов расчета времени до насыщения измерительных индуктивных трансформаторов тока для защиты с замкнутым магнитопроводом при КЗ (далее - время до насыщения ТТ, t_нас):

- аналитический метод;

- графический метод по паспортным данным;

- графический метод с использованием ВАХ ТТ;

- графический метод с использованием характеристики намагничивания ТТ.

4.2 При использовании каждого из методов расчета времени до насыщения ТТ для определения его величины (t_нac) необходимо подготовить исходные данные для расчетов, определить расчетную схему, схемно-режимные условия и расчетную точку КЗ, выполнить подготовительные расчеты.

4.2.1 К исходным данным для расчетов относятся:

I_1.ном - номинальный первичный ток ТТ;

I_2.ном - номинальный вторичный ток ТТ;

R₂ - активное сопротивление вторичной обмотки ТТ;

Х₂ - индуктивное сопротивление вторичной обмотки ТТ;

z_н.ном - номинальная нагрузка ТТ (или S_н.ном - номинальная мощность вторичной нагрузки ТТ);

- полная погрешность ТТ;

K_ном - номинальная предельная кратность ТТ.

Значения сопротивлений приводят к нормальной температуре в соответствии с ГОСТ 15150.

4.2.2 Расчетная схема электрической станции должна содержать все питающие элементы [генераторы, трансформаторы и (или) автотрансформаторы блоков], трансформаторы и (или) автотрансформаторы связи, а также линии связи с системными эквивалентами, соответствующими максимальному режиму работы системы. В состав расчетной схемы подстанции должны входить питающие линии и силовые трансформаторы (автотрансформаторы). Расчетная схема должна содержать эквиваленты систем, соответствующие максимальному режиму их работы.

4.2.3 Схемно-режимные условия и расчетную точку КЗ необходимо выбирать таким образом, чтобы через проверяемый ТТ при КЗ проходил наибольший ток I_КЗ.

4.2.4 Для определения значения t_нас необходимо произвести расчеты при трехфазных КЗ, для сетей с глухозаземленной нейтралью и при однофазных КЗ. Результатом расчета значения t_нac должна являться наименьшая из полученных величин.

4.2.5 При осуществлении подготовительных расчетов необходимо определить величину нагрузки во вторичных цепях ТТ и Т_р.экв для каждого из расчетных видов КЗ.

4.2.6 Расчет нагрузок во вторичных цепях ТТ, используемых в схемах защит, должен осуществляться с использованием расчетных формул в соответствии с приложением А.

4.2.7 Эквивалентную постоянную времени Т_р.экв необходимо рассчитывать с использованием специализированных программных комплексов и созданных в них моделей сети, предназначенных для расчета электромагнитных переходных процессов.

При приближенных расчетах эквивалентную постоянную времени Т_р.экв допускается рассчитывать по формуле

,

(1)

где - действующее значение суммарного тока КЗ;

- действующее значение тока КЗ в i-й ветви;

- постоянная времени затухания апериодической составляющей тока в каждой из i-й ветви, питающей место КЗ.

Постоянную времени затухания апериодической составляющей тока в каждой i-й ветви, питающей место КЗ, T_p.i необходимо определять с использованием одного из следующих способов.

4.2.7.1 Рассчитывать по формуле

,

(2)

где - эквивалентное индуктивное сопротивление i-й ветви относительно точки КЗ;

- угловая частота;

- эквивалентное активное сопротивление i-й ветви относительно точки КЗ.

4.2.7.2 При наличии осциллограмм токов КЗ соответствующих ЛЭП и оборудования Т_р.экв допускается определять графически с использованием следующего способа. В токе КЗ необходимо выделить апериодическую составляющую (например, с использованием сервисных возможностей программного обеспечения осциллографа) и по ней определить Т_р.экв как время, за которое начальное значение апериодической составляющей уменьшилось в е раз, где е - основание натурального логарифма. Найденное с использованием указанного способа значение Т_р.экв необходимо применять только к той схеме сети и составу ЛЭП и оборудования, которое находилось в работе на момент возникновения записанного на осциллограмме КЗ.

4.3 Расчеты времени до насыщения ТТ следует выполнять при отсутствии в сердечниках ТТ остаточной магнитной индукции и при наличии в сердечниках ТТ предельных значений остаточной магнитной индукции B_r.пред, где B_r.пред = 0,86  В_нас.

5 Определение времени до насыщения трансформаторов тока

5.1 Определение времени до насыщения трансформаторов тока аналитическим методом

5.1.1 При применении аналитического метода следует использовать исходные данные в соответствии с 4.2.1.

5.1.2 При применении аналитического метода при отсутствии в сердечниках ТТ остаточной магнитной индукции время до насыщения ТТ необходимо рассчитывать по 5.1.4, при наличии в сердечниках ТТ остаточной магнитной индукции время до насыщения ТТ необходимо рассчитывать по 5.1.5.

5.1.3 При расчете времени до насыщения ТТ аналитическим методом:

- параметр режима А необходимо определять в соответствии с 5.1.6;

- коэффициент остаточной намагниченности сердечника ТТ K_r необходимо принимать равным 0,86.

5.1.4 При отсутствии в сердечниках ТТ остаточной магнитной индукции время до насыщения ТТ t_нас необходимо рассчитывать по формуле

.

(3)

Расчет по формуле (3) допустим при соблюдении условий (4) и (5):

,

(4)

.

(5)

Невыполнение условия (4) означает, что насыщение магнитопровода отсутствует, и время до насыщения ТТ равно бесконечности.

Невыполнение условия (5) означает, что эксплуатация ТТ в таких условиях недопустима, т.к. ток предельной кратности меньше действующего значения тока КЗ.

5.1.5 При наличии в сердечниках ТТ остаточной магнитной индукции время до насыщения ТТ необходимо рассчитывать по формуле

.

(6)

Расчет по формуле (6) допустим при соблюдении условий (7) и (8):

,

(7)

.

(8)

Невыполнение условия (7) означает, что насыщение магнитопровода отсутствует и время до насыщения ТТ равно бесконечности.

В случае, если условие (8) не выполняется, значение t_нас, вычисленное по формуле (6), принимает отрицательное значение, и для определения времени до насыщения ТТ следует использовать графический метод по паспортным данным в соответствии с 5.2.

5.1.6 Параметр режима А необходимо вычислять по формуле

,

(9)

где - номинальное полное сопротивление вторичной нагрузки ТТ;

- полное сопротивление ветви вторичного тока.

Номинальное полное сопротивление вторичной нагрузки ТТ необходимо рассчитывать по формуле

,

(10)

где - номинальное значение угла сопротивления нагрузки ТТ.

Полное сопротивление ветви вторичного тока необходимо вычислять по формуле

,

(11)

где - фактическое активное сопротивление нагрузки ТТ,

- фактическое индуктивное сопротивление нагрузки ТТ.

5.1.7 Если значение t_нас, полученное по результатам вычислений по аналитическому методу, составило менее 15 мс, следует использовать графический метод по паспортным данным в соответствии с 5.2.

5.2 Определение времени до насыщения трансформаторов тока графическим методом по паспортным данным

5.2.1 При применении графического метода по паспортным данным следует использовать исходные данные в соответствии с 4.2.1.

5.2.2 При применении графического метода по паспортным данным время до насыщения ТТ необходимо определять графически в соответствии с универсальными характеристиками (приложение Б).

Для выбора универсальных характеристик необходимо рассчитать косинус угла сопротивления ветви вторичной нагрузки ТТ по формуле

.

(12)

5.2.2.1 Для определения времени до насыщения ТТ без учета остаточной магнитной индукции в сердечнике ТТ на оси K_п.р необходимо отложить значения А, которые необходимо рассчитывать в соответствии с 5.1.6, и на универсальных характеристиках, соответствующих рассчитанному значению T_р.экв, необходимо определять соответствующие им значения t_нас:

.

(13)

5.2.2.2 Для определения времени до насыщения ТТ с учетом остаточной магнитной индукции в сердечнике ТТ на оси K_п.р необходимо отложить значения А(1 - K_r), и на универсальных характеристиках, соответствующих рассчитанному значению T_р.экв, следует определять соответствующие им значения t_нас:

,

(14)

где - коэффициент остаточной намагниченности, который необходимо принимать равным 0,86.

5.2.3 В целях уточнения расчетов времени до насыщения ТТ допускается выполнить расчет по сумме воздействий апериодических составляющих токов в отдельных ветвях (без использования T_р.экв) согласно следующему методу.

5.2.3.1 Необ