Насыщение трансформатора что это
Влияние быстрого насыщения трансформаторов тока на работу РЗ
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 15.04.2021 2021-04-15
Статья просмотрена: 479 раз
Библиографическое описание:
Александров, А. В. Влияние быстрого насыщения трансформаторов тока на работу РЗ / А. В. Александров. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 16 (358). — С. 73-74. — URL: https://moluch.ru/archive/358/80027/ (дата обращения: 24.12.2021).
Эффект насыщения трансформаторов тока известен давно, но актуальность данного вопроса остается и в настоящем времени. В данной статье рассматривается влияние насыщения ТТ, с целью исключения ложного срабатывания РЗА.
Ключевые слова: насыщение трансформаторов тока, релейная защита.
Keywords: saturation of current transformers, relay protection.
Введение
Изучение проблем быстрого насыщения трансформаторов тока (далее ТТ) в переходных режимах в нашей стране началось в 60-х годах ХХ века, однако, и в настоящем времени данный вопрос является актуальным.
Интерес к этому эффекту обусловлен влиянием его на работу устройств релейной защиты (далее РЗ). Остаточная намагниченность накапливается в процессе эксплуатации или возникает при измерении сопротивления обмоток постоянному току перед вводом в эксплуатацию и сохраняется в течение всего срока службы. В переходных режимах происходит насыщение сердечников трансформаторов тока из-за наличия остаточной намагниченности, которая достигает 86 %. В результате насыщения возникает искажение вторичного тока, которое может привести как к излишней работе РЗ, так и к увеличению времени отключения КЗ (вплоть до отказа РЗ).
Примером аварии, вызванной насыщением ТТ воздействием апериодической составляющей тока КЗ и наличием остаточного намагничивания в сердечнике ТТ, является случай ложного срабатывания устройств РЗ на ОРУ 500 кВ Ростовской АЭС в 2014 г., которая привела к отделению части ОЭС Юга от ЕЭС России;
Для изучения данного вопроса в 2017 г. ОАО «ВНИИР» были проведены испытания устройств РЗ в условиях одинаковых условиях и схемно-режимных ситуациях при насыщении трансформаторов тока при помощи программно-аппаратного комплекса моделирования энергосистем.
В ходе работ было выявлено замедленное срабатывание при внутренних КЗ следующих видов защит:
— дифференциальной защиты линии (далее ДЗЛ);
— дифференциально фазной защиты (далее ДФЗ);
— первой ступени дистанционной защиты (далее ДЗ);
— первой ступени токовой защиты нулевой последовательности (ТЗНП).
Влияние эффекта насыщения ТТ на работу устройств РЗ
Работа трансформатора тока характеризуется уравнением намагничивающих сил (1):
Выражение говорит о том, что первичный ток трансформируется во вторичную обмотку лишь частично. Часть тока используется для намагничивания сердечника ТТ. Данное явление наблюдается как в установившихся режимах, так и в переходных режимах. Из-за разницы скорости изменения апериодической и переменной составляющих, большая часть апериодической идет на насыщение сердечника, из-за чего ухудшается трансформация периодической составляющей во вторичную цепь. Это называют подмагничивающим действием. Учитывая остаточную намагниченность в сердечниках ТТ, которая сохраняется в течение длительного времени, возможен режим работы, при котором остаточный магнитный поток в сердечнике совпадает по направлению с магнитным потоком, создаваемым апериодической составляющей тока намагничивания. В результате трансформатор тока начинает работать в режиме насыщения, то есть намагничивающий ток растет существенно быстрее рабочего тока магнитного потока.
Процессы, связанные с насыщением ТТ, особенно характерны для распределительных устройств крупных электростанций и подстанций, где могут иметь место большие кратности токов короткого замыкания во вторичных цепях и постоянные времени апериодической слагающей тока повреждения могут принимать существенные значения.
В общем случае влияние насыщения сердечников ТТ на функционирование всех видов основных быстродействующих защит и быстродействующих ступеней резервных защит проявлялось в следующих видах [5]:
— замедление в срабатывании на определённый временной интервал переходного процесса;
— неселективное срабатывание при КЗ вне зоны действия защит;
— отсутствие требуемой переориентации защиты при переходе внешнего КЗ в зону действия;
— неселективное срабатывание защиты в неповреждённой фазе при насыщении ТТ, обусловленном наличием в сердечнике ТТ этой фазы остаточной магнитной индукции неблагоприятного знака и падением напряжения на нулевом проводе вторичных токовых цепей.
Выводы:
Насыщение сердечников трансформаторов тока (ТТ) может приводить к неправильным действиям и недопустимым замедлениям в срабатывании устройств РЗА объектов электроэнергетики. Необходима разработка методики испытаний устройств РЗ в условиях насыщения ТТ с использованием моделей энергообъектов, проверка в соответствии с разработанной методикой как используемых в серийных устройствах, так и модернизированных алгоритмов действия защит.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Насыщение трансформаторов тока наступает, как только напряжение на вторичной стороне ( определяемое расчетом УК или опытным путем) достигнет точки перегиба. [1]
В этом выражении коэффициент k учитывает насыщение трансформатора тока в переходном режиме. [3]
Прохождение по обмотке реле несинусоидальных токов, возникающих, например, вследствие насыщения трансформаторов тока при коротком замыкании, приводит к усиленной вибрации подвижной системы реле и его отказу. [8]
С помощью схем компаундирования ток возбуждения увеличивается только пропорционально току нагрузки, если пренебречь насыщением трансформатора тока и промежуточного трансформатора. Внешняя характеристика компаундированного генератора имеет криволинейную форму с выпуклостью вниз при малых токах и резко возрастающим загибом вверх при токах, близких к номинальным. [9]
Однако в схемах релейной защиты необходимо считаться с возможностью подачи на токовые реле несинусоидального тока, обусловленного в основном насыщением трансформаторов тока при больших кратностях тока к. Искажение формы кривой тока приводит к увеличению переменной составляющей усилия реле по сравнению с его постоянной составляющей, причем, кроме составляющей двойной частоты, появляются составляющие более высоких гармоник. [12]
При решении вопроса о предельной мощности, отдаваемой трансформаторами тока, используют их кривую намагничивания f / 2 / ( У Насыщение трансформаторов тока наступает, как только напряжение на вторичной стороне ( определяемое расчетом УК или опытным путем) достигнет точки перегиба. [13]
Трансформаторы тока в переходных режимах
Измерительные трансформаторы являются неотъемлемой частью любой энергоустановки. С помощью измерительных трансформаторов осуществляется учет электроэнергии, измерения параметров сети, они являются первичными источниками сигнала для релейных защит, устройств телемеханики и автоматики. Мы уже затрагивали тему выбора трансформаторов тока в целях учета электрической энергии, сегодня уделим внимание общим принципам их классификации и конструкции, а также нормативно-технической базе в части обеспечения функционала релейных защит.
В первую очередь нужно отметить, что важным аспектом работы современных микропроцессорных релейных защит является их быстродействие, которое должно обеспечиваться не только собственными возможностями программно-технических комплексов устройств РЗА, но и возможностями первичных аналоговых преобразователей, таких как трансформаторы тока.
Токовые цепи релейных защит, как правило, питаются таким же образом, как приборы учета и устройства измерения — источником аналогового сигнала для них являются трансформаторы тока. Отличие состоит в условиях работы: измерительные приборы работают в классе точности при фактическом первичном токе, не превышающем номинального, тогда как устройства релейной защиты рассчитаны на работу в режимах короткого замыкания или перегрузки, когда фактический ток значительно превышает номинальный ток трансформатора. К тому же, такие режимы являются переходными — в составе первичного тока появляются свободные апериодические составляющие.
Как известно, работа трансформатора тока характеризуется уравнением намагничивающих сил: I1 • w1 + I2 • w2 = Iнам • w1
I1 — ток в первичной обмотке;
w1—количество витков первичной обмотки;
I2 — ток во вторичной обмотке;
w2 — количество витков вторичной обмотки;
Iнам — ток намагничивания.
Из приведенного выражения видно, что первичный ток трансформируется во вторичную обмотку не полностью — часть его уходит на формирование тока намагничивания, создающего рабочий магнитный поток в сердечнике ТТ (поток, формирующий ЭДС во вторичной обмотке, под воздествием которой там и протекает ток). Это происходит как в установившихся, так и в переходных режимах. В переходном процессе каждая составляющая, протекая по первичной обмотке трансформатора тока, делится на две части: одна трансформируется во вторичную обмотку, а вторая идет на намагничивание сердечника. В связи с тем, что скорость изменения апериодической составляющей гораздо меньше скорости изменения переменной составляющей, а периодическая составляющая плохо трансформируется во вторичную цепь и большая ее часть идет на насыщение сердечника. Это, в свою очередь, ухудшает трансформацию периодической составляющей во вторичную цепь и также повышает долю этого тока в токе намагничивания. Возникает так называемое, «подмагничивающее действие». Учитывая, что в сердечниках ТТ во многих случаях имеет место остаточная магнитная индукция, которая сохраняется в течение длительного времени (дни, недели и даже месяцы), наихудший режим работы возникает в случае, если остаточный магнитный поток в сердечнике совпадает по направлению с магнитным потоком, создаваемым апериодической составляющей тока намагничивания.
В результате трансформатор начинает работать в режиме насыщения, т.е. когда ток намагничивания растет значительно быстрее рабочего магнитного потока.
Все вышеописанное вносит искажения в величину и фазу вторичного тока, создавая тем самым погрешность (именно величина тока намагничивания определяет точность работы ТТ). И, несмотря на то, что в релейных защитах точность траснформации имеет гораздо меньшее значение, чем в измерительной технике, погрешности могут быть настолько велики, что могут вызвать существенную задержку срабатывания устройств РЗА, а также их ложное действие или отказ. Это особенно актуально для дифференциальных защит, т.к. вместе с токами намагничивания ТТ возрастают и токи небаланса в схеме защиты. Также ситуацию может ухудшить применение промежуточных быстронасыщающихся трансформаторов тока.
Существует несколько способов борьбы с остаточной намагниченностью сердечника, как с одной из основных причин возникновения насыщения. Один из методов — применение трансформаторов тока с сердечниками без стали, обладающих линейными свойствами. Но использование таких трансформаторов тока может быть весьма ограниченным, в связи с небольшой мощностью вторичных обмоток. Второй метод (наиболее распостраненный) — изготовление сердечников из электротехнической стали, имеющих немагнитные зазоры. Этот метод по сравнению с использованием сердечников без стали позволяет конструировать сердечники меньшего сечения. Однако в России трансформаторы тока с такими сердечниками не выпускались и не выпускаются. Нужно отметить, что европейские производители успешно производят такие изделия в вполне приемлемых габаритах, размещая в корпусе трансформатора как обмотки с привычными нам классами точности, так и специализированные обмотки для работы РЗА в переходных процессах. Почему же сложилась такая ситуация? Наверное, отнюдь не потому, что российские конструкторы гораздо хуже европейских знают свое дело и не потому, что эксплуатирующие организации не желают располагать таким оборудованием.
Рассмотрим действующую нормативную базу, регламентирующую производство трансформаторов тока. Действующий сегодня ГОСТ 7746-2001 «Трансформаторы тока. Общие технические условия» включает в себя два класса точности релейных защит — 5Р и 10Р (пределы допускаемых погрешностей — см. Таблицу 1). Ни в одном из этих классов не нормируется работа ТТ в переходных режимах — указанные в ГОСТ погрешности имеют место при нормальных режимах и токе предельной кратности (также в установившемся режиме).
Таблица 1. Пределы допускаемых погрешностей вторичных обмоток для защиты в установившемся режиме при номинальной вторичной нагрузке
Насыщение трансформатора что это
Насыщение сердечника трансформатора
Трансформаторы с тороидальными сердечниками гораздо более чувствительны к насыщению материала сердечника, что является прямым результатом их конструкции, более приближающейся к идеальной. Вне зависимости от того, является ли трансформатор силовым или низкочастотным, используемым в звуковом тракте, сердечники мощных трансформаторов обычно изготавливаются из кремнистой электротехнической стали с ориентированными зернами (GOSS), которая обладает тем преимуществом, что в направлении, совпадающем с плоскостью зерен, плотность магнитного потока может иметь более высокие значения. Традиционные трансформаторы, в которых сердечники набраны из обычных Ш-образных пластин, лишены этого преимущества, так в таких сердечниках всегда существуют области, в которых вектор магнитного потока направлен перпендикулярно плоскости зерна. Для тороидальных сердечников вектор магнитного потока всегда параллелен плоскости зерна, поэтому эти сердечники могут работать при таких значениях плотности потока, которые значительно ближе по своей величине к насыщению. А это, в свою очередь, позволяет уменьшать размеры трансформатора, так как работа при более высоких значениях магнитного потока позволяет использовать сердечник меньшего размера. Соответственно, процесс насыщения тороидальных сердечников происходит более резко, тогда как подобный переход для обычных Ш-образных сердечников происходит более плавно.
Рис. 6.10 Осциллограммы тока и напряжения на накопительном конденсаторе при токе нагрузки 88 мА. Верхняя осциллограмма (Сh. 1): форма тока (амплитудное значение Ipk = 340 мА). Нижняя осциллограмма (Сh. 2): напряжение пульсаций (двойное амплитудное значение напряжения Vpk-pk= 13 В)
Насыщение сердечника трансформатора крайне нежелательно, так как при этом происходит интенсивное рассеяние магнитного потока вне сердечника, что вызывает наведение токов индукции в близко расположенных цепях. Еще хуже то, что насыщение возникает периодически (с частотой 100 или 120 Гц), поэтому вызывает всплески помех, частоты которых распространяются и на звуковых частотах и в радиочастотный диапазон. Более резкий переход в режим насыщения способствует появлению большей доли высших гармоник в. Разумеется, нельзя забывать и о том, что насыщение сердечника приводит к его перегреву, вплоть до его физического разрушения.
Рис. 6.11 Спектральный состав тока пульсаций накопительного конденсатора
И это не просто сомнительные россказни о гипотетических несчастиях. Автор «вырвал почти все волосы на своей голове», разыскивая источник видеопомех на мониторе для вывода графических данных, прежде чем обнаружил, что причиной оказалось насыщение торроидального сердечника силового трансформатора, который индуцировал помехи непосредственно в горловине кинескопа монитора.
Если в результате расчета источника питания оказалось, что он должен иметь напряжение пульсаций, составляющее только 5% от величины напряжения питания, то это означает, что 90% времени трансформатор будет фактически отключен от схемы, а выходное сопротивление источника питания будет определяться только эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора и сопротивлением выходных проводов. Именно по этой причине замена накопительного конденсатора обычного типа на тип, рассчитанный на высокие значения токов пульсаций, оказывает очень заметное влияние на качество звучания усилителя, так как для них величина эквивалентного последовательного сопротивления, ESR, значительно ниже (правда выше при этом оказывается их стоимость).
Комбинация компонентов из обмотки трансформатора, выпрямителя и конденсатора образует сугубо нелинейную систему. Поэтому их поведение становится гораздо сложнее, чем предсказывает схема идеального источника напряжения Тевенина, в силу чего анализ необходимо проводить с учетом поведения реальной схемы в различные моменты времени.
На протяжении очень короткого начального периода времени (менее времени заряда конденсатора) выходное сопротивление источника питания определяется суммой эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора и сопротивления проводов. Это будет оставаться справедливым даже в случае протекания переходных токов с очень высокими значениями, которые могут возникать при первом и последующих циклах заряда при условии, что они при этом не очень значительно меняют величину заряда конденсатора. Единственное условие, которое должно соблюдаться, это то, чтобы конденсатор был бы в состоянии выдержать этот значительный по величине ток. Для того, чтобы соблюсти это условие, у конденсатора должно быть небольшое значение эквивалентного последовательного сопротивления, ESR, и не только на частотах сетевого питания, но в диапазоне частот, по крайней мере, до 40 кГц. Это связано с тем, что выходной усилитель мощности, часто работающий в классе В (с отсечкой выходного тока ламп), вызывает появление выпрямленной составляющей звукового сигнала, а также его второй гармоники (то есть удвоенной звуковой частоты) на шинах источника питания. Для выполнения требований этого условия можно использовать электролитический конденсатор, предназначенный для применения в импульсных источниках питания в качестве накопительного конденсатора, зашунтировав его конденсатором меньшей емкости (рис. 6.12).
На этой странице порассуждаем о тороидальных магнитопроводах из ферритов, распылённого железа, электротехнической стали и их способности противостоять постоянному току.
Зависимость приведена при температуре изделия +25 гр.С.
Интересующие нас параметры из datasheet-а производителя:
Переходим к незамысловатым формулам!
Поскольку рабочий режим магнитопровода мы выбираем в линейной области петли гестерезиса, то в качестве значения µ можно использовать паспортную характеристику начальной магнитной проницаемости сердечника.
Теперь можно рисовать калькулятор для расчёта магнитной индукции в катушке с учетом выбранного типа сердечника и конкретного количества витков обмотки.
ТАБЛИЦА РАСЧЁТА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В КАТУШКЕ С ТОРОИДАЛЬНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ.
Давайте посчитаем этот параметр.
РАСЧЁТ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СЕРДЕЧНИКА С ЗАЗОРОМ.
Таблица даёт приблизительную, но, в большинстве своём, приемлемую точность расчёта при величинах длины воздушного зазора 0,2-2 мм.
Определив ниже магнитную проницаемость сердечника с зазором, следует ввести это значение в предыдущий калькулятор и заново произвести вычисления магнитной индукции и индуктивности катушки.
Для наглядности приведу два графика петли гистерезиса Ш-образного ферритового сердечника марки N87 без немагнитного воздушного зазора и с зазором около 1 мм. Феррит ETD 59/31/22, достаточно крупный, с средней длиной магнитного контура le = 139 мм.
Механизмы влияния зазора у Ш-образных и тороидальных сердечников абсолютно идентичны.
Эквивалентная магнитная проницаемость сердечника с зазором уменьшилась и составила величину 160 единиц. Соответственно, уменьшился и наклон петли, позволяя сердечнику работать при гораздо больших значениях напряжённости магнитного поля вдали от области магнитной индукции насыщения сердечника.
А учитывая то, что значение напряжённости H прямо пропорционально, протекающему через катушку току, можно с уверенностью сказать, что область безопасных индукций теперь соответствует более чем на порядок большим токам в обмотке.
Линейная область петли гистерезиса также заметно увеличилась, что позволяет увеличить максимальные рабочие значения магнитной индукция в сердечнике вплоть до 0,85-0,9 от значения справочной характеристики Bнас (Bs).