Ватт — метровые реле должны питаться напряжением, пропорциональным по амплитуде и совпадающим по фазе с напряжением смещения нейтрали. Ошибка в коэффициенте трансформации имеет меньшее значение, поскольку она приводит лишь к пропорциональному изменению момента. Ошибка в фазе должна быть возможно меньшей в связи с наличием большой реактивной составляющей в токе нулевой последовательности, питающем реле.
Рассмотрим станцию В на рис. 265. Предполагается, что реле, расположенное на участке ВС, блокировано. Его ток состоит из активной составляющей, равной 0,48 а, и индуктивной составляющей, ранной 7,6 а, и опережает напряжение нейтрали на 93°38' Если напряжение нейтрали трансформировано с ошибкой в фазном угле на 218' в сторону опережения, момент исчезает. В случае большей ошибки в фазном угле момент меняет знак и происходит ложное срабатывание. Ошибка в фазном угле вторичного напряжения всегда должна быть мала в сравнении с углом потерь тока нулевой последовательности в данной точке. Возможность ложного срабатывания возрастает с приближением к дугогасящей катушке и удалением от места замыкания.
На рис. 272 показан ряд устройств, предназначенных для получения напряжения нейтрали. На станции, где установлена дугогасящая катушка (рис. 272,а), последняя обычно бывает снабжена вспомогательной измерительной обмоткой. Коэффициент трансформации, однако, зависит от того, какое ответвление дугогасящей катушки используется, если измерительная катушка не снабжена соответствующими ответвлениями, переключаемыми одновременно с главными ответвлениями. Здесь нелегко получить большую точность, поскольку напряжение на виток катушки сравнительно велико.
Подобрать соответствующие ответвления бывает нелегко, если, как это часто бывает, на главной обмотке имеется большое число близко расположенных ответвлений, -из которых окончательное выбирается путем проб. С другой стороны, поскольку ошибка в коэффициенте трансформации не имеет большого значения, можно иногда отказаться от ответвлений на вспомогательной обмотке или уменьшить их число, если вспомогательная обмотка расположена на той части сердечника, где изменение магнитного потока не столь велико. Такими местами являются верхняя, не имеющая ответвлений часть главной обмотки и ярмо.
Что касается ошибки в фазном угле, необходимо иметь в виду, что внутреннее или внешнее последовательное активное сопротивление приводит к сдвигу фазы потока на 34' на каждый процент потерь в этом сопротивлении.
Если нейтральная точка силового трансформатора доступна, может быть с успехом применен однофазный трансформатор напряжения вместо вспомогательной обмотки дугогасящей катушки (рис. 272,б). Однако при этом следует учитывать, что потенциал нейтрали трансформатора при наличии дугогасящей катушки отличается от потенциала нейтрали системы на величину падения напряжения нулевой последовательности в силовом трансформаторе.
Для получения напряжения нейтрали могут быть использованы три однофазных трансформатора напряжения или трехфазный трансформатор с пятистержневым сердечником. Они обычно применяются и для релейных схем защиты от коротких замыканий. Нейтраль первичной обмотки должна быть заземлена; должны иметься третичные обмотки, которые либо располагаются на главных стержнях и соединяются в открытый треугольник, либо располагаются на четвертом и пятом стержнях и соединяются последовательно (рис. 273, слева и рис. 272,в).
Соединение вспомогательных обмоток в открытый треугольник предпочтительнее размещения обмоток на вспомогательных стержнях; отклонение фазного угла для реальных величин приложенных напряжений (90—110%) во втором случае выше из-за более высокого реактанса рассеяния. При практическом выполнении нельзя забывать, что смещение нейтрали в случае замыкания через сопротивление может составлять лишь часть номинального фазного напряжения.
Если не имеется третичных обмоток, может быть применен пятистержневой вспомогательный трансформатор с коэффициентом трансформации 3:1 со схемой соединения, показанной на рис. 273 (справа).
Промышленные трансформаторы напряжения обычно имеют достаточную точность для питания ватт-метровых земляных реле.
Если желательно контролировать три фазных напряжения в дополнение к измерению напряжения нейтрали, трансформированные напряжения вспомогательной обмотки дугогасящей катушки или вторичной обмотки трансформатора напряжения нейтрали должны сочетаться со вторичными напряжениями обычных трехстержневых трансформаторов напряжения, присоединенных к шинам высокого или низкого напряжения станции. Эта схема для случая соединения силовых трансформаторов λ/λ показана на рис. 274.
Трансформаторы тока. Схемы соединения и характеристики
Можно применить два способа выделения тока нулевой последовательности. Одни (по Никольсону) состоит в параллельном соединении вторичных обмоток трансформаторов тока, установленных в трех фазах; ток во вторичной цепи равен утроенному значению тока нулевой последовательности в фазе.
Другой способ использует специальный трансформатор тока, сквозь сердечник которого проходят провода всех трех фаз. Такие трансформаторы особенно часто употребляются в кабельных сетях; их сердечник обычно состоит из двух частей, которые охватывают проложенный кабель; часть вторичной обмотки должна иметь возможность временно сдвигаться для соединения частей сердечника.
Рис. 274. Устройство для получения фазных напряжений относительно земли без применения трансформаторов напряжения на стороне высшего напряжения.
Рис. 276. Включение выравнивающих сопротивлений в цепь трансформаторов тока.
Рис. 275. Трансформатор тока нулевой последовательности.
После того как пакеты пластин соединены и скреплены, вторичная обмотка сдвигается обратно в рабочее положение.
Необходимо учесть, что в соответствии с рис. 28 часть тока нулевой последовательности уравновешивается током, текущим по оболочке кабеля. Поэтому проводник, заземляющий кабельную оболочку, следует пропускать сквозь сердечник, как это показано на рис. 275. Концевая муфта должна быть в этом случае изолирована от заземленной конструкции, на которой она устанавливается.
Кроме ошибок, обусловленных системой, которые мы рассмотрим в § 14.3.5, трансформаторы тока вносят дополнительные ошибки. Рассмотрим источники этих ошибок.
Рис. 277. Экспериментальное устройство, использующее фазосмещающий трансформатор для выравнивания вторичных токов нулевой последовательности. GR—реле защиты от замыканий на землю; PS — фазорегулятор.
а) Даже если в первичном токе отсутствует составляющая нулевой последовательности, при параллельном соединении вторичных обмоток возникает ток небаланса. Это связано с тем, что ошибки всех трех трансформаторов не равны между собой, поэтому вторичные токи не равны в сумме нулю, даже если первичные токи представляют собой идеально уравновешенную систему. Очевидно, что этот фиктивный ток нулевой последовательности будет составлять лишь часть погрешности, соответствующей классу точности трансформаторов. Этот ток существенно увеличивается, если нагрузки во вторичных цепях трансформаторов тока неодинаковы. Необходимо стремиться к наилучшему выравниванию нагрузок, иногда вводя дополнительные регулируемые сопротивления. Если сами трансформаторы недостаточно сбалансированы, можно включить шунтирующие цепи, например, как показано на рис. 276. Практический пример был описан японскими авторами [Л. 56]. Было также установлено, что баланс можно получить, подключая трехфазную обмотку небольшого асинхронного двигателя, как показано на рис. 277. Обмотка ротора используется как фазорегулирующий трансформатор для получения регулируемого по фазе компенсационного тока. Результаты опытов, проведенных на таком устройстве, показаны на рис. 278. В каждой фазе было установлено по два трансформатора тока с железо-кремниевыми сердечниками с коэффициентом трансформации 300/1; вторичные обмотки были соединены последовательно. Нагрузки были искусственно разбалансированы с помощью дополнительного сопротивления г. В то время как при отсутствии компенсирующего устройства ошибка росла линейно с ростом первичного тока, даже при балансе нагрузок, при включении устройства имелась возможность получить постоянную небольшую ошибку. Большие небалансы, однако, не могут быть скомпенсированы этим способом (верхняя кривая на рис. 278).
В том случае, когда сердечник охватывает все три провода (рис. 275), названная выше сшибка отсутствует, если все три проводника расположены симметрично или имеется уравнивающая вторичная обмотка.
Трехфазная группа шинных трансформаторов с железо-кремниевыми сердечниками может давать значительную ошибку этого типа. Железо-никелевые сердечники благодаря высокой магнитной проницаемости имеют лучшие характеристики [Л. 57].
Проходные трансформаторы тока с коэффициентом трансформации 300/1 и номинальной нагрузкой 30 ва были испытаны при полной нагрузке и коэффициенте мощности, равном единице. Результаты показаны на рис. 279. Как видно, для уравновешенной системы, нагруженной номинальным током, ток небаланса составляет 0,08%, или 0,24 а. Эта величина, кажущаяся небольшой, должна быть сопоставлена с распределением тока нулевой последовательности, показанным на рис. 265,б. Ясно, что если трансформаторы тока с характеристиками, показанными на рис. 279, установлены в относительно небольшой системе, то ток небаланса может приближаться к величине тока нулевой последовательности.
Таким образом, недостаточно, чтобы трансформаторы тока имели определенный класс точности; они должны быть согласованы по характеристикам ошибок или путем подбора пли путем регулирования, как показано на рис. 276.
В шинных трансформаторах с неэкранированными тороидальными сердечниками ток ошибки, циркулирующий во внешней цели при протекании в первичной цепи симметричного трехфазного тока, определяется не только разницей в кривых ошибок. Здесь может иметь место эффект близости, являющийся следствием неудачного расположения трансформатора в распределительном устройстве. Этот эффект может быть уменьшен применением уравновешивающих обмоток описанного выше типа.
б) При отсутствии нагрузки в системе ток, протекающий через какую-либо из трехфазных групп трансформаторов тока, состоит из симметричного емкостного зарядного тока и дополнительного тока, обусловленного замыканием.
В частном случае замыкания на короткой линии емкостный ток невелик и намагничивание трансформаторов тока обусловлено лишь током замыкания. В первичных обмотках ток течет только в поврежденной фазе, но в силу параллельного соединения вторичных обмоток намагничивание всех трех обмоток примерно одинаково и общая н. с. приблизительно втрое больше, чем у одного трансформатора, и это примерно втрое увеличивает ошибку. (Такой же результат дает метод симметричных составляющих, поскольку нагрузка в нейтрали Ζ0 представляет собой нагрузку 3Ζ0 для каждой фазы.)
Рис. 279. Ошибки трех шинных трансформаторов тока 300/1 а с железо-никелевыми сердечниками, испытанных при номинальной нагрузке 30 ва. Поперечное сечение сердечника 32 см2. Средняя длина сердечника 16 см.
В общем случае симметричный зарядный ток линий, компенсирующая индуктивная составляющая и остаточный ток представляют собой три независимые компоненты первичного тока, имеющие разные точки токораздела, как это было показано выше. Метод симметричных составляющих неприменим для определения ошибок в коэффициенте трансформации и фазном угле, ожидаемых в различных вторичных цепях; нелинейность характеристик ошибок исключает возможность применения суперпозиции. Решение задачи следует начинать с расчета распределения напряжения во вторичных цепях с учетом нагрузок, предполагая вначале, что трансформаторы не имеют ошибок. Это дает с достаточной степенно точности величины э. д. с. во вторичных обмотках каждого трансформатора, которые находятся в правильных фазных соотношениях с системой первичных токов. Вместо использования кривой ошибок можно построить характеристики намагничивания трех сердечников, учтя активную и реактивную составляющие. Намагничивающие силы каждого сердечника могут быть, таким образом, найдены и сопоставлены с первичным током по амплитуде и фазе. Токи ошибок должны быть вычтены из идеализированных вторичных токов. Сложив их, получим ток ошибки в нейтральной ветви схемы.
Рис. 280. Замыкание на землю на станции с двумя линиями существенно различных длин.
в) Процедура, описанная в конце п. «б», справедлива лишь для ненагруженных линий. Нагрузка, помимо того, что она может вызвать образование фиктивного тока нулевой последовательности, как показано в п. «а», значительно сдвигает рабочую точку трансформатора тока по характеристике намагничивания. При отсутствии тока нагрузки низкая первоначальная магнитная проницаемость может усилить ошибку. Трансформаторы тока с сердечниками, изготовленными из магнитных материалов с высокой проницаемостью или подмагничиванием переменным током, дают меньшие погрешности в области очень малых токов.
При замыкании на землю в короткой ненагруженной линии активная составляются тока преобладает в такой степени, что даже большая ошибка не может привести к неправильному срабатыванию.
В этом случае срабатывание происходит настолько четко, что оно возможно даже при фазовом угле противоположного знака. Назначение сдвига фаз, как упоминалось в § 14.32, состоит в создании блокирующего момента в случае, если линия исправна и замыкание на землю произошло в другом месте системы.
Возникает вопрос: можно ли быть уверенным в правильном действии оборудования в целом без проведения полевых испытаний с реальными замыканиями на землю? В § 3 гл. 9 будет описан метод для определения в нормальном режиме правильности соединения трансформаторов и надежности работы реле.
Рис. 281. Случаи неправильного срабатывания направленных земляных реле (параллельные линии разных длин).
Прикладывая к обмоткам напряжения реле звезду или треугольник напряжений с различными фазными углами, можно определить фиктивный ток нулевой последовательности при полной нагрузке. Действие реле, установленных в точках, в которых их правильная работа является сомнительной, должно проверяться в реальной системе при замыкании на землю.
