Трансформатор тока нулевой последовательности принцип работы

Трансформатор тока нулевой последовательности принцип работы

Замыкания на землю — самый частый вид повреждений в сетях 6-35 кВв. Для защиты от замыканий на землю широко применяют токовые защиты нулевой последовательности, которые подключаются к трансформаторам тока нулевой последовательности.
Вячеслав Аалександрович Горюнов и Аанатолий Ииванович Щеглов, представившие свой материал на новосибирской конференции по заземляющим устройствам, считают, что зачастую к отказам и излишним срабатываниям этих видов защит приводит несоблюдение правил монтажа трансформаторов тока и вторичных цепей.

Анатолий Щеглов, к.т.н., доцент
Вячеслав Горюнов, м.н.с Новосибирский ГТУ

За время внедрения защит от замыканий на землю (ЗНЗ) в кабельных сетях 6(10) кВ накопилась довольно обширная статистика по наиболее частым ошибкам, возникающим при монтаже трансформаторов тока нулевой последовательности (ТТНП), которые приводят к сбоям в работе токовых защит нулевой последовательности.
Рассмотрим специфику данного вопроса на примере электрической сети с резистивно-заземленной нейтралью 6(10) кВ. На рис. 1 представлено распределение составляющих тока однофазного замыкания по сети 6(10) кВ. Векторная диаграмма токов представлена на рис. 2.
Ток замыкания на землю обусловлен емкостями «фаза-земля» неповрежденных (здоровых) фаз всех элементов сети (в основном это кабельные и воздушные линии электропередачи) и резистором, включенным в нейтраль трансформатора (в схеме он обозначен как нейтралеобразующий). Эти токи по обмоткам трансформаторов сети перетекают на поврежденную фазу и в месте ЗНЗ стекают в землю (см. рис. 1).
Из рассмотрения токораспределения, показанного на рис. 1, следует, что в защиту поврежденного присоединения (то есть ТТНП) попадает емкостный ток нулевой последовательности, обусловленный емкостью всей питающей сети (кроме поврежденного элемента), а также ток резистора.
Ток, обусловленный емкостью поврежденного элемента, частично вообще не попадает в ТТНП, частично протекает через окно ТТНП дважды в разных направлениях (по поврежденной и по неповрежденным фазам). Таким образом, он не трансформируется во вторичную обмотку.
В защиту неповрежденного присоединения, наоборот, попадает только ток нулевой последовательности, обусловленный собственной емкостью фаз относительно земли. На рис. 1 это можно проследить по направлениям токов, обтекающих ТТНП присоединения, связывающего шины данной подстанции с питающей сетью.

СЕЛЕКТИВНОСТЬ ЗАЩИТ

На сравнении токов в защите при внутреннем и внешнем замыкании и основана селективность защит от ЗНЗ. В токовых защитах нулевой последовательности сравниваются токи по абсолютным значениям. Селективность обеспечивается, если емкостный ток защищаемого присоединения 3i_{0Сприсоед} значительно меньше тока внешней сети 3i_0Свнеш и тока резистора R: |3i_{0Сприсоед}| O (см. рис. 2). При наличии резистора фазы токов могут отличаться менее чем на 180 O , и это должно быть учтено при подборе фазовой характеристики защиты.

Металлическая броня силовых кабелей подлежит заземлению по обоим концам линии и, как следствие, является каналом протекания токов нулевой последовательности.
При неправильном выполнении заземления брони нарушаются рассмотренные выше принципы действия защит. Это иллюстрируется рис. 3 и 4.
На рисунках показано неверное заземление брони кабеля при монтаже ТТНП1. Кабель с металлической оболочкой проходит через окно ТТНП1 и подключен к металлической воронке концевой муфты, которая заземлена.
Рис. 3 иллюстрирует возможность неселективного действия защит
при внешнем замыкании (не на рассматриваемом кабеле). Ток 3i_0С частично (I ‘ _{C S внеш}) замыкается по броне кабеля и, проходя через окно ТТНП1, трансформируется во вторичную обмотку. Это может вызвать неселективное действие защиты.

ЗАЩИТНЫЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Для исключения подобных ситуаций при монтаже ТТНП необходимо придерживаться определенных правил заземления брони кабеля. При наличии у концевой муфты металлической воронки, соединенной с бронёй кабеля, необходимо воронку и броню изолировать от заземленных частей на участке от ТТНП до воронки, а заземляющий проводник присоединить к воронке и пропустить через отверстие магнитопровода ТТНП в обратном направлении [1], как показано на рис. 5а.
Современные концевые муфты выполняются из изоляционного материала, и если кабель с металлической бронёй не проходит через ТТНП, то заземляющий проводник не следует пропускать через окно ТТНП (рис. 5б). В соответствии с Правилами устройства электроустановок [2] присоединение металлических оболочек и брони кабеля к заземляющему устройству должно осуществляться медным проводником сечением не менее 6 мм 2 . Согласно [2], для электроустановок с изолированной нейтралью сечения заземляющих проводников должны быть выбраны такими, чтобы при протекании по ним наибольшего тока двухфазного КЗ температура заземляющих проводников не превысила 400 O С (кратковременный нагрев, соответствующий полному времени действия защиты и отключения выключателя). При двойных замыканиях на землю токи немногим меньше токов двухфазных КЗ, но они растекаются по земле от одной поврежденной точки до другой, при этом большая часть токов проходит по оболочкам кабелей и может вызвать перегрев и, как следствие, обрыв заземляющего проводника оболочки кабеля при неправильном выборе сечения проводника.
В цепях вторичных обмоток трансформаторов тока (ТТ) предусматривается защитное заземление для обеспечения безопасности персонала в случае повреждения ТТ при перекрытии изоляции между первичной и вторичной обмотками. Согласно [2], вторичные цепи должны заземляться в одной точке на ближайшей от ТТ сборке зажимов либо на зажимах ТТ. Для защит, объединяющих несколько ТТ, заземление цепей производится также в одной точке [3] (рис. 6), так как в этом случае ток не будет протекать по заземляющему устройству и, наоборот, токи, протекающие в ЗУ, не будут наводить помехи в сигнальном проводе.

ВЫВОД

Необходимо тщательно контролировать монтаж вторичных цепей релейной защиты, а также уделять особое внимание заземлению оболочки кабеля при использовании ТТНП.
При замене кабеля либо при подключении второго кабеля к существующему присоединению после завершения монтажа первичных цепей следует вновь проверять правильность монтажа вторичных цепей и цепей заземления.

ЛИТЕРАТУРА

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Что такое токовая защита нулевой последовательности?

В высоковольтных сетях из-за каких-либо повреждений может нарушаться нормальная работа электроустановок. Достаточно частое повреждение – замыкание на землю, при котором возникает угроза как человеческой жизни за счет растекания потенциала, так и оборудованию за счет нарушения симметрии в сети. Чтобы предотвратить возможные последствия от таких повреждений на подстанциях и в других устройствах применяют токовую защиту нулевой последовательности (ТЗНП).

Что такое нулевая последовательность?

Преимущественное большинство сетей получают питание по трехфазной системе. Которая характеризуется тем, что напряжение каждой фазы смещено на 120º.

Рис. 1. Форма напряжения в трехфазной сети

Как видите из рисунка 1 на диаграмме б) показана работа сбалансированной симметричной системы. При этом если выполнить геометрическое сложение представленных векторов, то в нулевой точке результат сложения будет равен нулю. Это означает, что в системах 110, 10 и 6 кВ, для которых характерно заземление нейтралей трансформаторов, при нормальных условиях работы, какой-либо ток в нейтрали будет отсутствовать. Также следует отметить, что геометрически смена фаз может подразделяется на такие виды:

• прямой последовательности, при которой их чередование выглядит как A – B – C;
• обратной последовательности, при которой чередование будет C – B – A;
• и вариант нулевой последовательности, соответствующий отсутствию угла сдвига.

Для первых двух вариантов угол сдвига будет составлять 120º.

Рис. 2. Прямая, обратная и нулевая последовательность

Посмотрите на рисунок 2, здесь нулевая последовательность, в отличии от двух других, показывает, что векторы имеют одно и то же направление, но их смещение в пространстве между собой равно 0º. Подобная ситуация происходит при однофазном кз, при этом токи двух оставшихся фаз устремляются в нулевую точку. Также эту ситуацию можно наблюдать и при междуфазных кз, когда две из них, помимо нахлеста, попадают еще и на землю, а в нуле будет протекать ток лишь одной фазы.

При возникновении трехфазных кз в нейтрали обмоток ток не будет протекать, несмотря на аварию. Потому что токи и напряжения нулевой последовательности по-прежнему будут отсутствовать. Несмотря на то, что фазные напряжения и токи в этой ситуации могут в разы возрасти, в сравнении с номинальными.

Принцип работы ТЗНП

Практически все релейные защиты, действие которых отстраивается от появления токов нулевой последовательности, имеют схожий принцип. Рассмотрите вариант такой схемы, демонстрирующей действие защиты.

Принципиальная схема простейшей ТЗНП

Здесь представлен вариант включения реле тока Т, которое подключается ко вторичным обмоткам трансформаторов тока (ТТ), собранных в звезду. В данной ситуации нулевой провод от звезды обмоток трансформаторов отфильтровывает составляющие нулевой последовательности, в случае их возникновения. При условии, что система работает симметрично, обмотки реле Т будут обесточенными. А при условии, что в одной из фаз произойдет замыкание на землю, ТТ отреагирует на это, из-за чего по нулевому проводу потечет ток. Это и будет та самая составляющая нулевой последовательности, из-за которой произойдет возбуждение обмотки реле Т.

После чего происходит выдержка времени, определяемая параметрами реле В. При истечении установленного промежутка времени токовая защита посылает сигнал на соответствующую коммутационную установку У. Которая и производит отключение трехфазной сети. Более сложные варианты схемы могут включать и реле мощности, которое позволяет отлаживать работу защиты по направлению.

В случае междуфазных повреждений симметрия не нарушиться, а лишь измениться величина токов. А ТТ будут продолжать компенсировать токи, стекающиеся в нулевой провод. Преимущество такой схемы заключается в том, что при максимальных рабочих токах, все равно не будет срабатывать защита, поскольку будет сохраняться симметрия.

Но при существенном отличии в магнитных параметрах измерительных трансформаторов, произойдет дисбаланс в системе, и по нулевому проводнику будет протекать ток небаланса. Что может обуславливать ложные срабатывания токовой защиты даже в тех сетях, где соблюдается номинальный режим питания.

Правила подборки трансформаторов тока.

С целью снижения небаланса, влияющего на правильность срабатывания токовой защиты, подбирают такие ТТ, у которых вторичные токи не создадут перетоков. Для чего они должны соответствовать таким требованиям:

• Обладать идентичными кривыми гистерезиса;
• Одинаковая нагрузка вторичных цепей;
• Погрешность на границе участков сети не должна превышать 10%.

К их вторичным цепям запрещено подключать еще какую-либо нагрузку, приводящую к искажению кривой намагничивания хотя бы в одном ТТ. Поэтому на практике при возникновении токов срабатывания от симметричной системы рекомендуют подвергать замене не один и не два, а все три трансформатора одновременно.

Область применения

Токовая защита, способная отреагировать на появление нулевой последовательности, нашла достаточно широкое применение в линиях с заземленной нейтралью. Так как в них токи коротких замыканий достигают наибольших величин. А вот при изолированной нейтрали ее установка нецелесообразна, поэтому ТЗНП в них не используют. Сегодня установки ТЗНП находят широкое применение:

• на шинах районных подстанций для защиты силового оборудования;
• в распределительных устройствах трансформаторных, переключающих и комплектных подстанций;
• в токовых цепях крупных промышленных объектов с трехфазным силовым оборудованием.

Выбор уставок для ТЗНП

Для обеспечения ступенчатого принципа вывода линии, токовая защита, контролирующая появление нулевой последовательности в цепях, должна соответствовать селективности срабатывания. Здесь под селективностью понимается последовательное отключение определенных участков цепи, в зависимости от их значимости, с целью определения места повреждения или выделения поврежденного промежутка. Для этого выбираются соответствующие уставки срабатывания по времени для защиты. Рассмотрите пример выбора уставок на такой схеме.

Пример выбора уставок

Как видите, ТЗНП в данном случае отстраивается по тому же принципу, что и максимальная токовая защита, но с меньшей величиной выдержки времени. В этом примере каждая последующая ступень защиты выдерживает временную задержку на промежуток Δt больше, чем предыдущая. То есть время срабатывания первой токовой отсечки, в сравнении со второй будет рассчитываться по формуле: t1 = t2+ Δt. А время срабатывания второй по отношению к третей будет составлять t2 = t3+ Δt. Таким образом каждое последующее реле выполняет функцию резервной защиты.

Если обмотки преобразовательных устройств включаются по системе звезда – треугольник, а также звезда – звезда, ТЗНП первичных и вторичных цепей не совпадают. Из-за того, что замыкание в линиях высокого напряжения не обязательно вызовет появление составляющих нулевой последовательности в низких обмотках и питаемой ими цепи. Так как селективность ТЗНП для каждой из них должна выстраиваться независимо, на практике должна обеспечиваться их независимая работа.

Такая система ступенчатых защит позволяет минимизировать дальнейший переход повреждения на другие участки сети и силовое оборудование. А также помогает вывести из-под угрозы персонал, обслуживающий эти устройства. Главное требование к токовой защите – предотвращение ложных коммутаций по отношению к соответствующей зоне срабатывания.

Практическая реализация ТЗНП

Сегодня токовая защита, реагирующая на возникновение нулевой последовательности, может реализовываться микропроцессорными установками и посредством реле. В большинстве случаев устаревшие реле повсеместно заменяются на более новые версии токовой защиты. Но, помимо ТЗНП настраиваются в работу дистанционные, дифференциальные защиты и прочие устройства. Чья работа основывается как на симметричных составляющих, так и на других параметрах сети.

Помимо этого, в своем классическом исполнении ТЗНП не имеет возможности определять место повреждения. То есть для нее не имеет значение, в каком месте произошел обрыв. Поэтому для определения направления, в котором ток протекает по направлению к земле, применяют направленную защиту. Такая система отстраивается не только на токах, а и на напряжении, возникающем от нулевой последовательности. Данные величины подаются с трансформаторов напряжения, включенных по системе разомкнутого треугольника.

Схема работы направленной защиты

При замыкании в зоне резервирования токовой защиты к одной из обмоток реле мощности поступает напряжение, а на вторую обмотку поступает ток нулевой последовательности, используемый для токовой защиты. При условии, что вектор мощности направлен в линию, реле мощности разблокирует срабатывание токовой защиты. В противном случае, когда направление мощности указывает, что неисправность произошла на другом участке, реле мощности продолжит блокировать срабатывание токовой защиты.

Сегодня практическая реализация такой защиты выполняется посредством микропроцессорных блоков REL650 или на реле ЭПЗ-1636. Каждый, из которых уже включает в себя и токовую отсечку, и дистанционную защиту, и пусковое реле для возобновления питания.

Видео в дополнение к написанному

Нулевая последовательность

Схема замещения нулевой последовательности по конфигурации сильно отличается от других схем. Существуют значительные отличия и в величинах сопротивлений.

Прежде всего, в месте КЗ напряжение равно напряжению нулевой последовательности.

Как видно из рисунка, схема замещения своим началом имеет точку КЗ, а ограничивается она путями протекания токов нулевой последовательности. Как уже отмечалось, симметричная система токов нулевой последовательности существенно отличается от прямой и обратной. Она представляет собой систему трех переменных токов, совпадающих по фазе и имеющих одинаковую амплитуду. Эти токи являются, по существу, разветвлением однофазного переменного тока, для которого три провода трехфазной цепи составляют один прямой провод, а обратным служит земля или четвертый (нулевой) провод.

Сопротивление нулевой последовательности трансформаторов

Большое значение имеют соединения обмоток трансформаторов сети и заземление их нейтралей. Чтобы из точки КЗ протекал в данную часть схемы ток нулевой последовательности, необходимо, чтобы у трансформатора имелась заземленная нейтраль. Обмотки, незаземленные и соединенные в треугольник, являются фильтрами нулевой последовательности и не дают возможности соответствующим токам протекать дальше по схеме или в землю.

В приведенном примере трансформатор слева (Т-1) имеет заземленную первичную обмотку и вторичную собранную треугольником. Токи нулевой последовательности достигают трансформатора и стекают на землю через его нейтраль, но не распространяются дальше в остальную часть левой схемы (вторичная обмотка трансформатора собрана треугольником, о ее последствии ниже). Между тем, путь токам справа не ограничивает трансформатор Т-2, т. к. его обмотки со стороны высокого и среднего напряжений имеют заземленную нейтраль, и токи нулевой последовательности продолжают путь в остальную правую часть схемы, но только потому, что там, в системе, есть заземленная нейтраль, показанная на принципиальной схеме соответствующим значком. Если бы этот значок показывал, что нейтраль не заземлена, то схему следовало бы закончить трансформатором.

Отдельно нужно рассмотреть обмотку низкого напряжения трансформатора Т-2. Она собрана в треугольник. Треугольник является фильтром для токов нулевой последовательности: они способны трансформироваться в него, но, протекая через обмотки фаз, замыкаются друг с другом. По этой причине на схеме показан путь для протекания токов через сопротивление низкой обмотки трансформатора на землю, хотя фактически там земли нет.

Вторичная обмотка трансформатора Т-1 также собрана в треугольник. Сопротивление нулевой последовательности, таким образом, складывается из сопротивления первичной обмотки, через которое токи непосредственно стекают в землю и из сопротивления вторичной, собранной в треугольник, в которой они замыкаются сами на себя. В итоге трансформатор в схеме показан своим полным реактивным сопротивлением.

На самом деле существует большое количество вариантов схем замещения трансформаторов в зависимости от схем соединения их обмоток, конструкции и их типа. Практически достаточно знать только приведенные два простых случая, сложные случаи запоминать нет необходимости. Достаточно просто воспользоваться справочной литературой.

Ниже приведены варианты.

Двухобмоточный трансформатор может быть представлен так:

На этих схемах предполагается, что замыкание происходит слева.

Первый вариант представляет собой схему соединения обмоток двухобмоточного трансформатора типа звезда с землей — треугольник. Это есть рассмотренный выше случай.

Однако на схеме указано еще сопротивление намагничивания. Но так как ток намагничивания достаточно мал (составляет около 1% от номинального), то можно считать, что это сопротивление настолько велико, что им можно пренебречь. Тогда трансформатор войдет в схему замещения только одним своим сопротивлением, которое рассчитывается обычной известной формулой.

Второй вариант представляет трансформатор с соединением вторичной обмотки в звезду и даже заземленную, но вот будут протекать токи нулевой последовательности через него или нет, зависит от того, есть или нет заземление нейтралей оборудования в остальной правой части схемы. Если есть, то трансформатор войдет в схему последовательно соединенным одним своим сопротивлением (рассчитанным как и для случая трехфазного КЗ). Если нет, то трансформатор следует представить сопротивлением первичной обмотки и сопротивлением намагничивания. Оно столь велико, что в приближенных расчетах часто принимают равным бесконечности, а значит, токи через трансформатор не текут.

Последние рассуждения справедливы и для третьего представленного варианта схемы замещения двухобмоточного трансформатора.

Обычно в расчетах этого бывает достаточно.

Между тем, величина сопротивления намагничивания сильно зависит от конструкции трансформатора. Все, что было сказано, подходит для группы трех однофазных трансформаторов и трехфазного с четырьмя или пятью магнитопроводами:

В трехфазных трехстержневых трансформаторах, где магнитные потоки нулевой последовательности замыкаются через изолирующую среду и кожух трансформатора, оказывается достаточно большой ток намагничивания. Реактивность в этом случае находится в пределах Хµ0 = (0,3 ч 1,0):

У трехобмоточных трансформаторов одна из обмоток, как правило, всегда соединена в треугольник, поэтому для них всегда Хµ = ∞.

Сопротивление нулевой последовательности линии электропередачи

В то время как при токе прямой (обратной) последовательности взаимоиндукция с другими фазами уменьшает сопротивление фазы, при токах нулевой последовательности она увеличивает его.

Токи нулевой последовательности, протекающие в тросах ЛЭП, оказывают размагничивающее действие, что приводит к некоторому уменьшению результирующего потокосцепления фазы. В зависимости от материала троса они оказывают разное влияние на уменьшение индуктивного сопротивления нулевой последовательности линии.

Средние значения соотношений между Х 0 и Х 1 для воздушных линий:

Средние значения соотношений между Х 0 и Х 1 для кабельных линий:

В ориентировочных расчетах для трехжильных кабелей сопротивления нулевой последовательности обычно принимают R 0 ≈ 10∙ R 1 ; X 0 = (0,35 ч 4,6)∙ Х 1 .

Сопротивление нулевой последовательности машин и нагрузки

Реактивность нулевой последовательности асинхронного двигателя, как и синхронных машин, определяется только рассеянием статорной обмотки и сильно зависит от типа и конструкции последней. Обычно сопротивление определяется опытным путем, а в задачах, если она действительно необходима для расчетов, бывает известна.

Э.д.с. генераторов симметричны и не являются источниками нулевой последовательности.

Если в задаче нагрузка указана как отходящая ветвь с шин высокого напряжения (например, 110кВ, 220кВ и т. п.), то в схеме замещения ее обычно НЕ учитывают на том основании, что нагрузок на такие напряжения не существует:

Нагрузка может существовать на более низком классе напряжения, следовательно, до нее на схеме должен находиться трансформатор, скажем, 110/10кВ со вторичной обмоткой, соединенной с сетью с изолированным режимом нейтрали (класс напряжений свыше 1000В до 100кВ не включительно). По этой причине токи нулевой последовательности до нагрузки не дойдут, а параметры трансформатора мы не знаем, следовательно, просто считаем схему соединения его обмоток таковыми, что токи нулевой последовательности через него не протекают.

Сопротивление нулевой последовательности электрического реактора

Сопротивление реактора рассчитывается так же (причем для всех трех последовательностей оно одинаково), как и в случае трехфазного КЗ, если он включен последовательно в электрическую сеть.

Однако, включенный в нейтраль трансформатора, он вводится в схему замещения (только нулевой последовательности, притом последовательно с сопротивлением трансформатора) своим утроенным сопротивлением. Это объясняется тем, что в нейтралях протекает утроенный ток, а падение напряжения на сопротивлении реактора должно быть обеспечено в однолинейной схеме замещения.

Со стороны обмоток, соединенных в треугольник или звезду без заземленной нейтрали, независимо от того, как соединены другие обмотки трансформатора, исключена возможность протекания токов нулевой последовательности.

Реактивность трансформатора нулевой последовательности в этих условиях:

,

а вопросы токов и напряжений такого вида замыкания рассматриваются в другом разделе

Фильтр тока нулевой последовательности

Фильтр напряжения нулевой последовательности.

Фильтр напряжения обратной последовательности.

Фильтр тока нулевой последовательности.

Фильтр тока обратной последовательности.

Фильтры симметричных составляющих тока и напряжения

При нарушении симметричного режима трехфазной системы в полных фазных токах и напряжениях наряду с током I₁ и напряжением U₁ прямой последовательности появляются составляющие обратной последовательности I₂, U₂и нулевой последовательности I, U.

Для выделения симметричных составляющих из полных токов и напряжений применяются специальные устройства — фильтры. Фильтром тока или напряжения симметричных составляющих называется электрическая схема, состоящая из трансформаторов, активных и реактивных сопротивлений, параметры которых подобраны таким образом, чтобы пропускать в реле, включенное на выходе фильтра, только составляющие одной определенной последовательности и не пропускать других.

Фильтр тока нулевой последовательности состоит из трех трансформаторов тока, вторичные обмотки которых включены параллельно, а к точкам соединения подключить обмотку реле КА (рис. 1.8, а).

В соответствии с методом симметричных составляющих первичный ток нулевой последовательности

.

При этом ток в реле I_р = I_а + I_b + I_c.

Для реальных ТТ с учетом их токов намагничивания и коэффициентов трансформации ток в реле

где I_нб = (I_намА + I_намВ + I_намС) / K_I – ток небаланса.

Ток нулевой последовательности появляется при повреждениях на землю. В других режимах, когда он отсутствует, через реле проходит только небольшой ток небаланса, который появляется за счет погрешностей в работе фильтра и наличия некоторой несимметрии подводимых токов в нагрузке фильтра.

Рассмотренная схема используется обычно в защитах элементов сетей с заземленными нейтралями (трехтрансформаторный первичный фильтр тока нулевой последовательности).

Рис. 1.8.Фильтры тока нулевой последовательности

Применяется также однотрансформаторный первичный фильтр, который представляет собой специальный измерительный трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП). Трансформатор (рис. 1.8, б) состоит из тороидального магнитопровода М, на котором располагается вторичная обмотка. Магнитопровод надевается на трехфазный кабель К, который является первичной обмоткой ТТНП.

Первичный ток ТТНП – сумма фазных токов, проходящих по проводам кабеля. В нормальном режиме и при многофазных КЗ сумма фазных токов равна нулю, поэтому магнитный поток в магнитопроводе отсутствует, а ЭДС вторичной обмотки и ток в реле КА тоже равны нулю.

Существенное отличие ТТНП от трехтрансформаторного фильтра состоит в том, что его ток небаланса определяется только несимметрией расположения проводов фаз кабеля относительно магнитопровода и вторичной обмотки. Поэтому он значительно меньше тока небаланса трехтрансформаторного фильтра и обычно не превышает I_нб = 8. 10 мА.

Область применения ТТНП – защиты от замыкания на землю в системах с изолированной и компенсированной нейтралью.

Для повышения чувствительности защиты ТТНП выполняют с подмагничиванием. Сущность подмагничивания состоит в том, что с помощью дополнительной обмотки в ТТНП создается вспомогательный магнитный поток, благодаря которому трансформатор работает в оптимальном режиме, отдавая во вторичную цепь наибольшую мощность.

ТТНП с подмагничиванием используется в защитах от замыкания на землю синхронных генераторов.

РАЗДЕЛ 2. ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Трансформатор тока нулевой последовательности

Иногда в электроустановках может произойти разрушение изоляции, что приводит к утечкам тока. С целью контроля подобных токовых утечек было создано специальное устройство – трансформатор тока нулевой последовательности, нашедший применение также и в устройствах защитного отключения. Данные трансформаторы обнаруживают в нейтрали небаланс или токи нулевой последовательности. Если замыкается одна из фаз, происходит фиксация общих фазных токов, превышающих допустимое значение, после чего вся цепь своевременно отключается.

Что такое ток нулевой последовательности

В электрических сетях с напряжением от 6 до 35 кВ токи нулевой последовательности, как правило, связаны с однофазными замыканиями на землю. Эти токи могут возникать и при нормальных режимах работы, достигая значительной величины. Это приводит к ложным срабатываниям защитных устройств от замыканий на землю.

Трехфазные сети с переменным напряжением могут работать в различных режимах, в том числе и несимметричных. Для расчетов таких режимов используется метод симметричных составляющих, в котором фазные токи и напряжения представлены в виде суммы, включающей в себя прямую, обратную и нулевую последовательность.

В схемах автоматической и релейной защиты чаще всего используется прямая и нулевая последовательность. Прямая последовательность состоит из синусоидальных токов и напряжений, одинаковых по величине во всех трех фазах. Их угловой сдвиг составляет 120 градусов, а максимальные значения достигаются в порядке очереди – А, В и С. Компоненты нулевой последовательности также имеют одинаковую величину в каждой из трех фаз, однако у них отсутствует угловой сдвиг.

Когда установлен симметричный режим работы, в фазных токах и напряжениях должна быть только прямая последовательность. Если же зафиксировано заметное проявление элементов нулевой последовательности, это указывает на возникновение в сети аварийной ситуации, требующей обязательного отключения каких-либо участков.

В электрических сетях напряжением 6-35 киловольт настраивать защиту нулевой последовательности следует с особой осторожностью. Это связано с отсутствием глухозаземленной нейтрали, когда токи нулевой последовательности практически не превышают рабочих токов во всех подключениях. Из-за этого настройка защиты становится очень сложной или вообще невозможной, особенно при наличии в цепях множества линий с однофазными кабелями, неудачно расположенными между собой. Токи нулевой последовательности в нормальном режиме могут появиться в жилах и экранах однофазных кабелей. Частично влияние этих токов компенсируется подключением трансформаторов тока.

Принцип работы

Прежде чем рассматривать трансформаторы тока нулевой последовательности, нужно остановится на обычных трансформаторах. Все устройства этого типа разделяются на трансформаторы тока и напряжения. Они применяются для измерений токов и напряжений с большими величинами. На одну из обмоток подается ток или напряжение, которое требуется измерить, а на выходе второй обмотки снимаются уже преобразованные, как правило пониженные значения этих параметров.

Через трансформаторы тока наиболее часто подключаются магнитоэлектрические вольтметры и параллельные цепи, а трансформаторы напряжения соединяются с амперметрами и другими последовательными цепями.

Трансформаторы нулевой последовательности также относятся к токовым измерительным приборам. От других видов трансформаторных устройств они отличаются назначением и принципом работы. Основной функцией данных приборов является регистрация токовых утечек или отсутствия фазы при коротком замыкании в трехфазных кабелях. Когда в жилах таких кабелей возникает асимметрия токов, это приводит к появлению на выходе вторичной обмотки сигнала небаланса. Далее этот сигнал уходит к контрольному устройству, с помощью которого отключается питание поврежденного кабеля. Подключение трансформатора тока нулевой последовательности осуществляется не к каждой фазе. Он соединяется сразу со всеми жилами кабеля.

Таким образом, принцип работы этих устройств основан на выделении сигнала через трансформацию токов нулевой последовательности при однофазных замыканиях на землю. Они применяются в сетях с изолированной нейтралью и схемах релейной защиты. Благодаря нормированному коэффициенту трансформации, который может переключаться во вторичной обмотке, становится возможной эффективная и точная настройка релейной защиты.

Выпуск трансформаторов производителями осуществляется в различных модификациях. Основными техническими характеристиками являются номинальное напряжение и частота, коэффициент трансформации, испытательное одноминутное напряжение, односекундный ток термической стойкости вторичной обмотки. Они имеют различные габариты, обеспечивающие возможность подключения сразу к нескольким одножильным кабелям, сечением до 500 мм2.

Е) Схема соединения трансформаторов тока в фильтр токов нулевой последовательности

При нагрузках, трехфазных и двухфазных к. з. сумма первич­ных токов трех фаз равна нулю, соответственно ток I = 0 и реле Р не действует. Но из-за погрешности трансформаторов тока сумма вторичных токов не балансируется и в реле появляется ток небаланса I_нб

что необходимо учитывать при применении схемы.

Включение реле по схеме на рис. 3-16 равносильно его вклю­чению в нулевой провод звезды по рис. 3-9.

Рассмотренная схема часто называется трехтрансфор-м а т о р н ы м фильтром токов I.

Ж) Анализ работы схем соединений трансформаторов тока при двухфазных к. з. за трансформаторами с соединением обмоток звезда — треугольник

Особым случаем по характеру токораспределения являются двухфазные к. з. за трансформаторами с соединением обмоток λ/Δ или Δ/λ.

При к. з. между фазами аб и са картина распределения токов будет аналогичной.

Таким образом, при двухфазном к. з. на стороне треуголь­ника трансформатора токи на стороне звезды появляются во всех трех фазах. В двух фазах они равны и одинаково направлены. В третьей фазе ток противоположен первым двум и равен их сумме, т. е. в 2 раза больше каждого из них.

Токораспределение на стороне треу­гольника при двухфазном к. з. за транс­форматором с соединением обмоток Δ/λ (рис. 3-17, б). Как следует из рис. 3-17, б, распределение и соотношение токов на стороне треугольника получается анало­гично тому, как и в предыдущем случае на стороне звезды.

А н а л и з условий работы защиты, выполнен­ной по схемам полной звезды, неполной звезды и с включением на разность токов двух фаз в рассмо­тренных условиях (т. е. при к. з. за трансформатором), показы­вает:

1) в схеме полной звезды (рис. 3-17) в одной фазе схемы появляется ток , где n_T — коэффициент трансформации трансформаторов тока, .а в двух других ; сумма токов в нулевом проводе равна нулю. Реле /, //, /// действуют, но два из них имеют в 2 раза меньшую чувствительность, чем третье реле;

2) в схеме неполной звезды (рис. 3-12) токи проходят по обеим фазам и обратному проводу, в последнем он равен геометрической сумме токов указанных фаз или току отсутствующей в схеме фазы.

Если трансформаторы тока окажутся на фазах с меньшими первичными токами , то в таком случае условия чувствительности будут в 2 раза хуже, чем в схеме полной звезды. Для устранения этого недостатка следует использовать реле в обратном проводе, где проходит сумма токов фаз, равная току к. з. в третьей фазе (см. § 3-6, в):

3) в схеме с включением одного реле на разность токов двух фаз ток в реле в случае, показанном на рис. 3-17, а и б, будет отсутствовать.

Вследствие одинакового направления токов по фазам, на ко­торых установлены трансформаторы тока, их разность и ток в реле равны нулю. Следовательно, эта схема не применима для защиты от к. з, за трансформаторами с соединением λ/Δ и Δ/λ.

Дата добавления: 2019-02-22 ; просмотров: 483 ; Мы поможем в написании вашей работы!