Название: Основные особенности продольных дифференциальных защит электрооборудования (Багинский, Л.В.)

Жанр: Технические

Просмотров: 1229


6.2.  насыщающийся трансформатор тока

 

Насыщающийся ТТ (НТТ) – это ТТ c весьма малым объемом стали, который обладает свойством создавать при протекании по первичной обмотке однополярного тока во вторичной обмотке значительно меньшую ЭДС, чем при протекании разнополярного тока. Именно за счет этого свойства НТТ обеспечивает отстройку РО ДЗ, который подключен к вторичной обмотке этого НТТ, от максимальных токов небаланса в ПП. НТТ весьма прост по устройству, но принцип действия его сложнее, чем принципы действия, описанных ранее устройств отстройки от тока небалнса ПП.

Принцип действия НТТ основан на использовании различия особенностей формирования ЭДС при однополярном и разнополярном насыщении  его сердечника. На рис. 11 показана схема токовых цепей ДЗ с включенным в дифференциальную цепь реле с НТТ (KАТ – стандартное обозначение реле с НТТ). Поскольку вторичная цепь НТТ (TL – на рис. 11) состоит только из РО (реле KA), условие отстройки от максимального тока небаланса ПП и срабатывания в режиме внутреннего КЗ реле с НТТ может быть выражено через соотношение вторичных ЭДС НТТ при максимальном токе небаланса Eнб (ложный сигнал), в режиме внутреннего КЗ EКЗ (полезный сигнал) и соответствующей току срабатывания реле KA Eср (порог срабатывания).  

Eнб <  Eср  <  EКЗ ,                                             (12)

где все ЭДС представлены в действующих значениях, так как KА реагирует на действующие значения тока. Однако количественная оценка действующего значения ЭДС в нелинейной цепи довольно трудоемка и не может быть представлена достаточно простым математическим выражением. Но в данном случае не требуется точная количественная оценка процесса, поскольку целью является характеристика принципа действия и качественная оценка основных закономерностей формирования ЭДС, соответствующих соотношению (12). Поэтому допустимо заменить действующие значения ЭДС в условии (12) на средние по модулю:

,                                                (12а)

где каждая из ЭДС определена как

,                                                     (13)

где e – мгновенное значение ЭДС НТТ, T – период промышленной частоты.

 

Рис. 11

 

Мгновенное значение ЭДС во вторичной обмотке НТТ зависит от еe потокосцепления по закону Фарадея

.

Это выражение можно рассматривать как  дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными. Его решение есть

.                                             (14)

На основании уравнения (14) можно заключить, что полярность полуволны ЭДС определяется знаком приращения потокосцепления. Поскольку необходимо определить среднее по модулю значение ЭДС, следует выбирать интервалы  интегрирования так, чтобы в каждом из них ЭДС имела только одну неизменную полярность. Разделим такими интервалами полный цикл изменения ЭДС за время, достаточное для срабатывания РО (КА), и просуммируем по модулю мгновенные значения ее за это время. Заметим, что в течение этого интервала потокосцепление имело следующие приращения: отрицательное в течение существования положительной полуволны ЭДС и положительное – в течение отрицательной. Но так как в правой части уравнения (14) содержится модуль функции, эти приращения должны быть выражены также модулем. Время срабатывания РО 20 мс, т.е. 1 период промышленной частоты. Поэтому можно принять t1 = 0, t2 = T. Тогда с учетом гистерезиса следует считать, что при t1 = 0, Y1 = Yr, т. е. каждый период начинается при наличии остаточного потока. Следовательно, уравнение (14) может быть представлено в следующем виде:

,                                             (14а)

где Yr, YT – потокосцепления: остаточное и в конце периода соответственно. Подставив (14а) в (13), получим следующую зависимость величины средней по модулю ЭДС от приращения потокосцепления:

.                                                 (15)

Чтобы обеспечить гарантированную отстройку от токов небаланса, необходимо выбрать такие условия формирования средней по модулю ЭДС в режиме внешних КЗ, при которых она принимает максимально возможное значение на интервале времени, равном времени срабатывания РО. На рис. 12 показана предельная петля гистерезиса, по которой перемагничивается сердечник НТТ дифференциальным током, вызывающим его глубокое насыщение. Ось ординат продлена в отрицательном направлении и использована в качестве оси времени для изображения осциллограмм тока небаланса переходного процесса и установившегося дифференциального тока режима внутреннего КЗ. Чтобы получить максимальное по модулю среднее значение ЭДС за время срабатывания РО (20 мс) при протекании по  первичной обмотке НТТ однополярного тока небаланса, необходимо в соответствии с (15) обеспечить максимальное приращение потокосцепления по модулю за первый период ПП. Поэтому при положительной полярности тока небаланса ПП следует принять значение остаточной индукции в начале ПП максимальным и отрицательным. Тогда при изменении мгновенного значения тока небаланса от O до максимума (от точки О до точки m на

рис. 12) потокосцепление изменяется от –Yrm до YS,  т. е. DYоm = Yrm +YS. Далее изменение тока небаланса на интервале от  m до a  вызывает уменьшение потокосцепления от YS до +Yrm, т. е. на этом интервале

DYma = YS – Yrm. Таким образом, максимальное значение средней по модулю ЭДС НТТ при токе небаланса в ПП

.                                                 (15a)

 

Рис. 12

Следует отметить, что в последующих периодах значение ЭДС НТТ, наведенной током небаланса в ПП, будет приблизительно на порядок меньше, чем выраженное формулой (15а). В самом деле, например, во втором периоде (см. рис. 12) при изменении тока небаланса в пределах интервала О1– m1– a1 потокосцепление будет изменяться по частной петле гистерезиса, прилегающей к обратной ветви предельной петли, т. е. от +Yrm до YS и от YS  до +Yrm, а значит,

.                                       (15б)

Следовательно, если максимальная величина ЭДС НТТ, образованная протеканием однополярного тока в дифференциальной цепи и определенная по формуле (15а), удовлетворяет левой части условия (12а), то отстройка от токов небаланса однополярного характера гарантирована.

Убедимся теперь в том, что ЭДС срабатывания, отстроенная от максимальной величины ЭДС при однополярном токе небаланса, меньше, чем ЭДС в режиме внутреннего КЗ. Иными словами, проверим, выполняется ли правая часть условия (12а). Для этого целесообразно рассмотреть режим протекания в дифференциальной цепи синусоидального тока, вызывающего насыщение сердечника НТТ (см. рис. 12). В самом деле, многие внутреннее КЗ не содержат значительной апериодической составляющей, а если и происходит КЗ с максимальной апериодической составляющей, то она через некоторое время затухает. Перемагничивание сердечника НТТ в таких условиях будет происходить по предельной петле гистерезиса, но

(в отличие от только что рассмотренного процесса) за один период – в обеих полярностях: как в положительной, так и в отрицательной. При этом процесс изменения потокосцепления в каждой из полярностей не может отличаться от процесса в первом периоде режима с однополярным током небаланса, так как перемагничивание происходит в обоих случаях по одной и той же предельной петле гистерезиса. Следовательно, в режиме внутреннего КЗ при отсутствии значительной апериодической составляющей в токе величина средней по модулю ЭДС НТТ за период

,                                                (16)

т.е. вдвое больше, чем при максимальном однополярном токе небаланса и, следовательно, удовлетворяет условию (12а).

Основными достоинствами реле с НТТ являются простота и высокая степень отстроенности от токов небаланса однополярного характера. Однако этому реле присущи все недостатки, свойственные признаку однополярности (см. разд. 5.2), а также слишком незначительное превышение интенсивности входного тока над током срабатывания РО НТТ в режиме внутренних КЗ. Это объясняется необходимостью значительного потока в сердечнике (т. е. близкого к потоку насыщения) для создания ЭДС срабатывания, соответствующей условию (12а), а значит, неизбежностью насыщения сердечника НТТ в режиме внутреннего КЗ. Поэтому завод-изготовитель гарантирует при величине коэффициента чувствительности ДЗ, равном двум, превышение тока на входе РО НТТ над током срабатывания в 1,3 раза, при равном пяти – в 1,5 раза. Следовательно, даже незначительное нарушение настройки РО вызывает резкое изменение свойств реле с НТТ: если это нарушение в сторону увеличения тока срабатывания, реле существенно повышает ток срабатывания (вплоть до отказа в срабатывании), а если в сторону уменьшения, то реле может сработать излишне при однополярном токе небаланса (отказ в несрабатывании). Поэтому плавное регулирование тока срабатывания реле с НТТ невозможно, и для таких реле задают МДС срабатывания Fcр, а ток срабатывания Iср регулируют путем изменения чисел витков первичной обмотки НТТ Wd:

.