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
Где:
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
Класс точности | Предел допускаемой погрешности | |||
|---|---|---|---|---|
При номинальном первичном токе | При токе номинальной предельной кратности | |||
Токовой, % | Угловой | Полной, % | ||
5Р | ±1 | ±60’ | ±1,8 срад. | 5 |
10Р | ±3 | Не нормируют | 10 | |
Здесь предполагается традиционный способ выбора ТТ для релейных защит — по кривой 10% погрешности — зависимости отношения максимального первичного тока к номинальному и сопротивлению (мощности) вторичной обмотки.
Вроде бы, глядя на кривую можно сказать, что достаточная кратность обеспечинвается в широких пределах вторичных нагрузок. Однако такой способ не является точным даже с учетом коэффициента, учитывающего влияние апериодической составляющей (1,2–2), ведь как уже описывалось выше, ток намагничивания в переходном режиме может многократно отличаться от тока намагничивания в установившемся режиме.
В этой связи существует необходимость внедрения в эксплуатацию специальных трансформаторов тока для работы РЗА в переходных режимах, а также новых классов точности для них. Данный факт был отмечен еще в 60–70-е года прошлого столетия отечественными специалистами, а сегодня реализован экспертами МЭК. Следует обратить внимание, что и в России с 1 января 2014 года действует новый стандарт — ГОСТ IEC 60044-1-2013 «Трансформаторы измерительные. Часть 1. Трансформаторы тока», но он совсем не для России, ведь распространяется только на трансформаторы тока для экспортных поставок. Кроме того, данный стандарт является переведенным IEC 60044-1:2003, который был принят за рубежом в 2003 году, то есть более 10 лет назад, где теперь вместо серии 60044 внедряется серия стандартов 61869.
При переходе от IEC 60044 к IEC 61869 состав документа претерпел некоторые изменения, поэтому ГОСТ IEC 60044-1-2013 для экспорта можно назвать, как минимум, не совсем актуальным. Кроме того, ГОСТ IEC 60044-1-2013 содержит ссылки на международные стандарты, которые официально не переведены на русский язык и не введены в действие на территории РФ, даже для продукции на экспорт. Иными словами, ситуация на сегодняшний день в плане стандартизации абсолютно такая же, как и несколько лет назад — имеются только планы и структуры предлагаемой нормативно-технической базы в области измерительных трансформаторов. А заказчикам требуются трансформаторы тока с нормируемыми метрологическими характеристиками в переходных режимах. Но в связи с отсутствием нормативной базы заказчики, например ОАО «ФСК ЕЭС», вынуждены формулировать требования «своими словами» и ссылаться на нелигитимный в стране стандарт, например: «трансформаторы должны обеспечивать с заданным классом точности предел погрешности в переходных режимах, включая цикл АПВ, в том числе и неуспешное АПВ «КЗ — отключение — пауза 1 сек. — включение» согласно требованиям МЭК 44-6», а не указывать требуемый конкретный класс точности, определенный действующим нормативным документом. Справедливости ради надо отметить, что стандарт организации СТО 56947007-29.180.085-2011 «Типовые технические требования к трансформаторам тока 110 и 220 кВ», создан исключительно в соответствии с действующими ГОСТами.
С отечественным ГОСТ 7746-2001 все понятно, теперь предлагаю разобраться «как у них». IEC 61869-2, кроме традиционных 5Р и 10Р (допускаемые погрешности соответствуют ГОСТ 7746-2001) нормирует следующие классы точности трансформаторов тока для релейной защиты:
- PR — трансформатор с лимитированным значением остаточной магнитной индукции (<10%). Для него в некоторых случаях может указываться значение постоянной времени намагничивания, а также предел значения сопротивления обмотки. Величина допустимых погрешностей соответствует Таблице 1 и измеряется при токе номинальной предельной кратности.
- PX — трансформатор с низким значением индуктивного сопротивления, для которого известна вторичная характеристика намагничивания, сопротивление вторичной обмотки, сопротивление вторичной нагрузки и витковый коэффициент трансформации, а также учтены характеристики защитных устройств с которыми он будет использоваться.
- PXR — соответствует классу точности PX, но с ограничением остаточной магнитной индукции (<10%).
Также, в состав IEC 61869-2 вошли требования к классам точности трансформаторов тока для переходных режимов:
- TPX — метрологические характеристики определяеются максимальным мнгновеннным значением погрешности в течение заданного цикла переходного процесса. Остаточный магнитный поток не ограничивается.
- TPY — метрологические характеристики определяются максимальным мнгновенным значением погрешности в течение заданного цикла переходного процесса. Остаточный магнитный поток не должен превышать 10% потока насыщения.
- TPZ — метрологические характеристики определяются аплитудным мнгновенным значением переменной составляющей тока в течение однократной подачи питания при максимальной постоянной составляющей и при заданной постоянной времени вторичной цепи. Требования по ограничению погрешности постоянной составляющей отсутствуют. Остаточный магнитный поток фактически должен отсутствовать.
Таблица 2. Погрешности трансформаторов тока классов TPX, TPY, TPZ
Класс | При номинальном первичном токе | При предельном значении первичного тока | ||
|---|---|---|---|---|
Токовая погрешность, % | Угловая погрешность | Максимальное значение величины мгновенной погрешности в % | ||
минуты | сантирадианты | |||
TPX | ±1,0 | ±60 | ±1,8 | ε = 10 |
TPY | ±1,0 | ±60 | ±1,8 | ε = 10 |
TPZ | ±1,0 | 180±18 | 5,3±0,6 | εас = 10 |
При изготовлении трансформаторов тока классов TPX, TPY, TPZ на табличку с техническими данными трансформаторов тока дополнительно наносится следующая информация (Таблица 3).
Таблица 3. Дополнительная информация для трансформаторов тока классов TPX, TPY, TPZ
Класс ТТ | TPX | TPY | TPZ |
|---|---|---|---|
Номинальный первичный ток | да | да | да |
Номинальный вторичный ток | да | да | да |
Номинальная частота | да | да | да |
Наибольшее напряжение оборудования и номинальный уровень изоляции | да | да | да |
Ith | да | да | да |
Idyn | да | да | да |
KТТ, к которому относится данная спецификация | да | да | да |
KSCC | да | да | да |
Tp | да | да | да |
Ts | -//- | да | -//- |
Временные характеристики рабочего цикла (однократного, двойного) | да | да | да |
Rb | да | да | да |
Где:
Ith — номинальный ток термической стойкости трансформатора тока.
Idyn — номинальный ток электродинамической стойкости трансформатора тока.
KТТ— коэффициент трансформации.
KSCC— коэффициент номинального симметричного тока короткого замыкания (отношение номинального первичного тока короткого замыкания к номинальному первичному току. Номинальный первичный ток КЗ — среднеквадратичное значение симметричного первичного тока КЗ, на основе которого определяются номинальные метрологические характеристики ТТ). Tp — заданная постоянная времени первичной цепи.
Ts — номинальная постоянная времени вторичной цепи (сумма индуктивности намагничивания и индуктивности рассеяния, отнесенное к активному сопротивлению вторичной цепи).
Временные характеристики рабочего цикла — временные параметры цикла «включение-отключение» или «включение-отключение-включение-отключение» — длительности первого и второго протекания тока, время запаздывания во время АПВ.
Rb — номинальная активная вторичная нагрузка.
Таким образом, в стандартах IEC имеется четыре варианта классов точности ( P, PX, PR, PXR), нормируемых для установившихся режимов. Также имеется три варианта классов точности (TPX, TPY, TPZ) для переходных процессов, что по моему мнению является более чем достаточным для организации правильной работы современных микропроцессорных релейных защит с максимально возможным быстродействием, в том числе в переходных режимах. Конечно, для получения столь подробных характеристик обмоток требуется приложить некоторые усилия как проектной организации, выбирающей трансформатор тока, так и производителю при конструировании ТТ. К счастью, на сегодняшний день методики расчета переходных процессов доступны, имеются программы для математического и графического моделирования, способные вычислить необходимые параметры сети и трансформатора тока. Предприятия, производящие трансформаторы тока по стандартам IEC, производят такие расчеты автоматизированным способом.
Учитывая набирающую с каждым годом обороты политику импортозамещения, сложные текущие отношения с европейскими государствами, а также растущий курс европейской валюты, на мой взгляд, отечественным производителям трансформаторов тока было бы не лишним перенять опыт западных коллег и наладить производство вышеописанных ТТ, а органам стандартизации — предварительно обеспечить соответствующую нормативно-техническую базу.
А. А. СЕРЯКОВ,
Группа компаний «РусЭнергоМир»
Список используемой литературы:
- ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия.
- ГОСТ IEC 60044-1-2013. Трансформаторы измерительные. Часть 1. Трансформаторы тока.
- IEC 61869-2 Instrument Transformers. Part 2: Current Transformers.
- IEC 60044-6 Instrument Transformers. Part 6: Requirements for Protective Current Transformers for Transient Performance.
- Н.В. Чернобровов. «Релейная защита», изд. «Энергия», 1971 г.
- В.В. Афанасьев, Н.М. Адоньев, В.М. Кибель, И.М. Сирота, Б.С. Стогний. «Трансформаторы тока», изд. Энергоатомиздат, 1989 г.
- И.М. Сирота. «Переходные режимы работы трансформаторов тока», Издательство Академии Наук Украинской ССР, 1961 г.
- Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29. 180.085-2011. Типовые технические требования к трансформаторам тока 110 и 220 кВ (с изменениями от 24.05.2013 г.).
- И. Матюхов. «Измерительные трансформаторы. Нормативно-техническая документация», Новости Электротехники, №1 (85) 2014 г.
Статья опубликована в журнале «Электротехнический рынок», № 3 (57), 2014
