Линейные и нелинейные измерительные преобразователи

1.

Релейная защита и автоматизация
электроэнергетических систем
Тема лекции:
Линейные и нелинейные
измерительные преобразователи.
Канд. техн. наук КОЗЛОВ А.Н.
Презентации разработаны в рамках реализации гранта «Подготовка
высококвалифицированных кадров в сфере электроэнергетики и горнометаллургической отрасли для предприятий Амурской области»

2.

Первичные измерительные преобразователи в релейной
защите и их схемы соединения с нагрузкой
Наиболее распространенными измерительными преобразователями
являются электромагнитные трансформаторы тока и напряжения.
Кроме того, используют:
- трансреакторы, трансформирующие первичный ток в
пропорциональную ему вторичную ЭДС. В отличие от
трансформаторов тока трансреакторы имеют сердечник с
немагнитным зазором. Режим работы их близок к режиму холостого
хода;
- Дифференциальные измерительные преобразователи тока
(ДИПТ), иначе называемые поясом (катушкой) Роговского. Эти
преобразователи выполняются с воздушным (немагнитным)
сердечником. Необработанные выходные сигналы пропорциональны
производной тока в первичных цепях. Для восстановления сигналов,
пропорциональных току, необходимо применять интеграторы или
фильтры низких частот.

3.

Любые измерительные преобразователи выполняют две
основные функции:
- осуществляют гальваническую развязку вторичных цепей
от цепей высокого напряжения. Это облегчает обслуживание и
повышает безопасность;
- обеспечивают во вторичной цепи стандартные значения
токов (1 и 5 А) и напряжений (100 и В) при различных токах и
напряжениях в первичной цепи.

4.

Трансформаторы тока

5.

Трансформаторы тока.
Маркировка концов обмоток
Индексы Л1, Л2, И1, И2
означают направление навивки витков
относительно друг
друга и влияют на
правильность
подключения
силовых и
моделируемых цепей,
характеристику
распределения
векторов токов по
схеме.
На них обращают
внимание при
первичном монтаже
трансформаторов
или заменах
неисправных
устройств

6.

Возможность поражения высоковольтным потенциалом при пробое изоляции
Поскольку магнитопровод ТТ выполнен из металла, обладает хорошей
проводимостью и соединяет между собой магнитным путем изолированные
обмотки (первичную и вторичную), то возникает повышенная опасность
получения электротравм персоналом или повреждения оборудования при
нарушениях изоляционного слоя.
С целью предотвращения таких ситуаций используется заземление одного из
вторичного выводов трансформатора для стекания через него
высоковольтного потенциала при авариях.
Эта клемма всегда имеет обозначение на корпусе прибора и указывается на
схемах подключения.
6

7.

Возможность поражения высоковольтным потенциалом при разрыве
вторичной цепи трансформатора тока
Выводы вторичной обмотки маркируют «И1» и «И2» так, чтобы
направление протекающих токов было полярным, совпадало по всем
обмоткам. При работе трансформатора они всегда должны быть
подключены на нагрузку.
Объясняется это тем, что проходящий по первичной обмотке ток обладает
мощностью (S=UI) высокого потенциала, которая трансформируется во
вторичную цепь с малыми потерями и при разрыве в ней резко
уменьшается составляющая тока до значений утечек через окружающую
среду, но при этом значительно возрастает падение напряжения на
разорванном участке.
Потенциал на разомкнутых контактах вторичной обмотки при прохождении
тока в первичной схеме может достигать нескольких киловольт, что очень
опасно.
Поэтому все вторичные цепи трансформаторов тока постоянно должны
быть надежно собраны, а на выведенных из работы обмотках или кернах
всегда устанавливаются шунтирующие закоротки.

8.

Конструкторские решения, используемые в схемах
трансформаторов тока
Применение нескольких одинаковых обмоток вокруг одного
магнитопровода широко распространено для создания отдельных,
независимых друг от друга вторичных цепей, которые работают в
автономном режиме. Их принято называть кернами. Таким
способом подключают различные по назначению защиты
выключателей или линий (трансформаторов) к токовым цепям
одного трансформатора тока.

9.

В устройствах энергетического оборудования работают комбинированные трансформаторы тока с
мощным магнитопроводом, используемом
при аварийных режимах на оборудовании,
и обычным, предназначенным для замеров при номинальных
параметрах сети.
Обмотки, навитые вокруг усиленного железа, используют для работы защитных устройств, а обычные — для измерений тока или мощности ( сопротивления). Их так и называют:
- защитными обмотками, маркируемыми индексом «Р» (релейные);
- измерительными, обозначаемыми цифрами метрологического класса
точности ТТ, например, «0,5».
Защитные обмотки при нормальном режиме работы трансформатора тока
обеспечивают измерение вектора первичного тока с точностью 10%. Их по
этой величине так и называют — «десятипроцентными».

10.

Схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов тока.
Коэффициент схемы
1. Схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле в полную звезду
Коэффициент схемы равен отношению тока
в реле
ко вторичному току в фазе .
Коэффициент схемы учитывается при расчете
уставок и оценке чувствительности защиты.
Особенности схемы
1. При всех видах КЗ токи повреждения проходят во всех или части реле КА1–КА3, поэтому защита
реагирует на все виды КЗ, имея при этом равную чувствительность при одинаковых токах
повреждения; токи в реле равны вторичным фазным токам, поэтому коэффициент схемы
2. Ток в нулевом проводе равен сумме фазных токов
, поэтому в нормальном
режиме и при отсутствии замыканий на землю в нулевом проводе протекает только ток небаланса;
возможный обрыв нулевого провода не может повлиять на работу схемы, однако при замыканиях на
землю по нулевому проводу проходит ток повреждения – при обрыве нулевого провода ток
поврежденной фазы может замыкаться только через вторичные обмотки трансформаторов
тока неповрежденных фаз, которые представляют для него очень большое сопротивление,
поэтому выполнение схемы соединения трансформаторов тока и обмоток реле в полную звезду
без нулевого провода недопустимо.

11.

3. При двойных замыканиях на землю в сетях с изолированными или
заземленными через дугогасящие реакторы нейтралями, если точки
замыкания расположены на разных линиях, могут подействовать на
отключение защиты обеих линий (I и II) при равенстве выдержек времени,
что нежелательно.
Схема применяется только в защитах, действующих при всех видах КЗ.
11

12.

2. Схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле
в неполную звезду
Особенности схемы
1. Схема реагирует на все виды КЗ, за исключением
короткого замыкания на землю фазы, в которой
трансформатор тока не установлен, поэтому схема
применяется только для защит, действующих при
многофазных повреждениях; в симметричных режимах
в реле проходят вторичные фазные токи, поэтому для
схемы неполной звезды коэффициент схемы
.
2. Ток в обратном проводе проходит не только при некоторых замыканиях на
землю, но и при многофазных КЗ, а также при нормальном режиме, поэтому
обратный провод необходим для правильной работы схемы, то есть выполнять
схему без обратного провода недопустимо.
3. Чувствительность защиты может оказаться в два раза меньшей по сравнению со
схемой полной звезды при некоторых двухфазных КЗ за трансформатором с
соединением обмоток Y/D и D/Y.
12

13.

3. Схема соединения трансформаторов тока в треугольник, а обмоток
реле в звезду
В
каждом
реле
проходит
ток,
геометрической разности токов двух фаз:
равный
Особенности схемы
1. Ток в реле проходит при всех видах КЗ и следовательно, схема
реагирует на все виды коротких замыканий.
2. Соотношения между токами в реле и вторичными фазными токами
трансформаторов тока зависят от вида КЗ, поэтому схема имеет
различные коэффициенты схемы, а именно:
Так как коэффициенты схемы
, то защита имеет разную
чувствительность при различных видах КЗ.
3. При КЗ на землю токи нулевой последовательности не проходят в реле
(проходят только токи прямой и обратной последовательности, то есть
только часть тока КЗ); схема соединения ТА1–ТА3 в треугольник является
как бы комбинированным фильтром
токов прямой и обратной
последовательности.
4. Дает сдвиг на 30 электрических градусов.
Схема
применяется
дистанционных защит.
в
основном
для
дифференциальных
и
13

14.

4. Двухфазная однорелейная схема соединения в неполный треугольник
(на разность токов двух фаз)
По обмотке реле проходит ток, равный геометрической
разности фазных токов:
Особенности схемы
1. Схема защиты реагирует на все виды КЗ, за исключением замыкания на
землю фазы, в которой трансформатор не установлен, поэтому
применяется только для действия при многофазных повреждениях;
существенным недостатком схемы является то, что при двухфазном КЗ за
трансформатором с соединением обмоток Y/D защита может отказать в
действии в связи с тем, что токи в фазах с трансформаторами тока равны и
совпадают по фазе – см. следующий слайд..
2. Соотношения между токами в реле и вторичными фазными токами
трансформаторов тока зависят от вида КЗ и сочетания поврежденных фаз,
поэтому коэффициент схемы
принимает различные значения. В
нормальном режиме и при трехфазном КЗ
. В случае двухфазных
КЗ коэффициент схемы зависит от сочетания поврежденных фаз. Так, при
КЗ между фазами А–С коэффициент схемы
. Защита наименее
чувствительна к двухфазным КЗ между фазами А–В и В–С, когда
Схема применяется для защиты от междуфазных КЗ в основном для
двигателей и не применяется для защиты от КЗ за трансформаторами со
схемами соединения обмоток Y/ и /Y.
14

15.

Токораспределение при двухфазном КЗ за трансформатором с
соединением «звезда-треугольник»
15

16.

5. Схема соединения трансформаторов тока в фильтр нулевой
последовательности
Ток в реле протекает лишь при КЗ на землю. Возникает
несимметричный режим и тогда IP=3I0.
При нагрузках, трехфазных и двухфазных КЗ сумма первичных токов
равна нулю и реле не действует.
На практике из-за погрешностей трансформаторов тока в реле
протекают небольшие токи небаланса.
Схема часто называется трехтрансформаторным фильтром нулевой
последовательности.
16

17.

Фильтры тока нулевой последовательности
Трехтрансформаторный
фильтр токов нулевой
последовательности
Трансформатор тока нулевой
последовательности (ТНП)
17

18.

Трансформатор тока нулевой последовательности с
подмагничиванием
18

19.

Типовые схемы соединения вторичных обмоток
трансформаторов тока и катушек реле
kСХ= IРЕЛЕ / IФАЗЫ
19

20.

kСХ= IРЕЛЕ / IФАЗЫ
kЧ= ( IКЗ.МИН kСХ.КЗ ) / ( IСРАБ. kСХ.НОРМ )
20

21.

Особенности эксплуатации измерительных трансформаторов тока и
их вторичных цепей
Оперативные переключения
При работе трансформатора тока создается баланс магнитных
потоков, образованных токами в первичной и вторичной обмотке. В
результате они уравновешены по величине, направлены встречно и
компенсируют влияние созданных ЭДС в замкнутых цепях.
При разрыве цепи вторичной обмотки ТТ на разомкнутых контактах
появляется высокий потенциал, который достигает несколько
киловольт и способен пробить изоляцию вторичных цепей, нарушить
работоспособность оборудования, нанести электрические травмы
обслуживающему персоналу.
По этой причине все переключения во вторичных цепях
трансформаторов тока производят по строго определенной
технологии и всегда под надзором контролирующих лиц, без разрыва
токовых цепей. Для этого используют:
специальные виды клеммников, позволяющие устанавливать
дополнительную закоротку на время разрыва выводимого из работы
участка;
испытательные токовые блоки с закорачивающими перемычками;
специальные конструкции переключателей.
21

22.

Насыщающиеся трансформаторы тока (НТТ)
Первичная обмотка НТТ (рис. а)
включается в дифференциальную
цепь защиты, а от вторичной
обмотки питается токовое
исполнительное реле. Сердечник
НТТ шихтуется специальной сталью
с широкой (т.н. «прямоугольной»)
петлей гистерезиса, а сечение
сердечника, параметры реле и
обмоток подбираются так, что во
вторичную цепь хорошо
трансформируется только
синусоидальный ток.
Апериодический ток практически не
трансформируется и в реле не
попадает, а производит лишь
подмагничивание сердечника.
22

23.

Таким образом, насыщающийся
трансформатор тока при наличии
в первичном токе апериодической
составляющей автоматически
снижает ток, попадающий в реле,
на величину этой составляющей.
В результате дифференциальная
защита не реагирует на броски
намагничивающего тока силовых
трансформаторов, а при внешних
КЗ - на токи небаланса
неустановившегося режима.
23

24.

Трансреакторы
ТAV выполняет функции реактора и
трансформатора (преобразует ток в
низкое напряжение и повышает это
напряжение). Он состоит из первичной
обмотки w1, разомкнутого магнитопровода и вторичной обмотки w2,
находящейся в режиме, близком к
холостому ходу.
Поэтому ток I′1 в первичной обмотке является током
намагничивания, напряжение холостого хода U2х = ЭДС E2
вторичной обмотки.
U2х сдвинуто по фазе относительно тока I′1 на 90°
(отстает, т.е. вектор напряжения смещен относительно
вектора тока по часовой стрелке).
Преобразование определяется отношением U2x/I′1 = Z′ном,
которое нелинейно зависит от тока I′1. Для обеспечения
преобразования, близкого к линейному, магнитопровод
трансреактора выполняют с зазором.
24

25.

Фильтр тока обратной последовательности (ФТОП)
Фильтр тока обратной последовательности ФТОП состоит из трансформаторов
ТА1, ТА3, трансреактора TAV2, резисторов R13, R14 и конденсаторов С8-С12.
Трансформатор ТА1 одной из первичных обмоток включается на ток фазы А, а
другой обмоткой, имеющей в 3 раза меньшее количество витков, - в нулевой
провод для компенсации влияния токов нулевой последовательности.
25

26.

Фильтр тока обратной последовательности (ФТОП)
Трансформатор ТА3 и трансреактор ТАV2 включены на разность токов фаз В и С.
Вторичные обмотки ТА3 и TAV2 включены встречно для того, чтобы совпали по
фазе напряжение на емкостной нагрузке С11, С12 и ЭДС трансреактора. Каждая
из этих составляющих равна половине падения напряжения в резисторах R13,
R14, совпадающего по фазе с током фазы А. Сопротивления индуктивностей и
емкостей, приведенные к первичной стороне трансформаторов, при
номинальной частоте примерно одинаковы, в результате небаланс и
погрешности фильтра минимальны при изменении частоты в пределах ±10%
номинального значения.
26

27.

Фильтр тока обратной последовательности (ФТОП)
Настройка ФТОП на минимум небаланса производится переменным резистором
R14, а компенсация угловой погрешности трансформатора ТА1 и трансреактора
TAV2 - емкостями С8-С10.
27

28.

Фильтр тока обратной последовательности (ФТОП)
При подаче на ФТОП тока прямой
последовательности активная
и реактивная составляющие
равны и противоположны по
фазе.
28

29.

Фильтр тока обратной последовательности (ФТОП)
При подаче на ФТОП тока
обратной последовательности
активная и реактивная
составляющие равны и
совпадают по фазе. На выходе
фильтра появляется напряжение,
пропорциональное току обратной
последовательности
29

30.

Трансформаторы напряжения
Если силовые трансформаторы предназначены для передачи
транспортируемой мощности с минимальными потерями, то
измерительные трансформаторы напряжения конструируются с
целью высокоточного повторения в масштабе векторов первичного
напряжения.
Измерительные трансформаторы применяются для замера линейных
и/или фазных первичных величин. Для этого силовые обмотки
включают между:
- проводами линии с целью контроля линейных напряжений;
- шиной или проводом и землей, чтобы снимать фазное значение.
Важным элементом безопасности измерительных трансформаторов
напряжения является заземление их корпуса и вторичной обмотки. На
него обращается повышенное внимание, ведь при пробое изоляции
первичной обмотки на корпус или во вторичные цепи в них появится
высоковольтный потенциал, способный травмировать людей
и сжечь оборудование.
Преднамеренное заземление корпуса и одной вторичной обмотки
отводит этот опасный потенциал на землю, чем предотвращает
дальнейшее развитие аварии.
30

31.

Эта конструкция
может встретиться в
цепях до 10 кВ
включительно.
Она на каждой стороне
имеет защиту
предохранителями
соответствующих
номиналов.
31

32.

В сети 110 кВ подобный
трансформатор
напряжения может
устанавливаться на одну
фазу обходной системы
шин для обеспечения
контроля синхронизма
цепей подключаемого
присоединения и ОСШ.
На вторичной стороне
используются две
обмотки: основная и
дополнительная,
обеспечивающие
выполнение синхронного
режима при управлении
выключателями с
блочного щита.
32

33.

Для включения трансформатора напряжения на две фазы обходной
системы шин при управлении выключателями с главного щита
применяется следующая схема.
Здесь ко вторичному
вектору «кф»,
образованному
предыдущей схемой,
добавляется вектор
«ик».
33

34.

Схема получила название
«открытого треугольника» или
неполной звезды.
Она позволяет смоделировать
систему из двух или трех
междуфазных напряжений.
34

35.

Наибольшими же возможностями
обладает подключение трех
трансформаторов напряжения по
схеме полной звезды.
В этом случае можно получить как
все фазные, так и линейные
напряжения во вторичных цепях,
а также выделить напряжение
нулевой последовательности,
включая вторичные обмотки в
разомкнутый треугольник
(схема «г»)
35

36.

Фильтр напряжения обратной последовательности (ФНОП)
Ха = Rс
Rа = √3 ∙ Ха
Хс = √3 ∙ Rс
IА
π/6
j∙IА ∙XА
UАB
IА ∙RА
IC
π/3
j∙IC ∙XC
IC ∙RC
UBC
36

37.

Преобразователи тока и напряжения для цифровых устройств
РЗиА
1. Пояс Роговского
Для измерения импульсных токов
часто используют воздушные
трансформаторы тока называемые
поясом Роговского.
Первичной цепью этого
трансформатора является
небольшой прямолинейный участок
разрядной цепи, а вторичной
обмоткой служит специальная
индуктивная катушка с большим
числом витков, которые
пронизываются магнитным потоком,
возникающим под влиянием
тока I (рис. 11). В этой катушке
наводится ЭДС U≡M(dI/dt).
37

38.

2. Оптические трансформаторы тока и напряжения
Магнитооптический преобразователь на основе эффекта Фарадея
38

39.

Магнитооптический
трансформатор тока
Первый российский оптоэлектронный
измерительный трансформатор тока
39

40.

Оптоэлектронные трансформаторы напряжения
Линейный электрооптический эффект Поккельса
40

41.

Конструкция изоляционной колонны комбинированного
измерительного трансформатора
41