Электромагнитные реле тока и напряжения - Принцип действия насыщающихся трансформаторов тока

Выше было показано, что кривые токов намагничивания и токов небаланса в неустановившемся режиме располагаются почти полностью по одну сторону оси времени из-за наличия большой апериодической составляющей. Кривая тока КЗ, поступающего в реле при повреждена
в защищаемой зоне, имеет почти симметричную синусоидальную форм>. В момент возникновения короткого замыкания на форму кривой тока в реле оказывает некоторое влияние свободная апериодическая составляющая переходного процесса, содержащаяся в первичном токе. Однако кривая полного тока КЗ меняет знак каждые полпериода, т.е. несмотря на наличие апериодической составляющей с момента возникновения короткого замыкания смещена относительно оси времени не полностью.
Применение промежуточных НТТ основано на отличии формы кривой бросков намагничивающих токов силовых трансформаторов и токов небаланса при внешних коротких замыканиях от нормальной синусоиды, расположенной симметрично относительно горизонтальной оси.
Первичная обмотка НТТ (рис.8, а> включается в дифференциальную цепь защиты, а от вторичной обмотки питается токовое исполнительное реле. Сердечник НТТ шихтуется специальной сталью с широкой петлей гистерезиса, а сечение сердечника, параметры реле и обмоток подбираются так, что во вторичную цепь хорошо трансформируется только синусоидальный ток. Апериодический ток практически не трансформируется и в реле не попадает, а производит лишь подмагничивание сердечника.
Таким образом, насыщающийся трансформатор при наличии в первичном токе /„ апериодической составляющей автоматически увеличивает ток срабатывания реле (загрубляет реле), и дифференциальная защита не реагирует на броски намагничивающего тока силовых трансформаторов, а при внешних КЗ - на токи небаланса неустановившегося режима.
Рассмотрим подробнее физические процессы, происходящие в НТТ. При прохождении тока по первичной обмотке происходит намагничивание его сердечника. Для каждого сорта ферромагнитного материала существует своя кривая намагничивания, представляющая собой зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н. При определенных размерах сердечника и числе витков первичной обмотки wn можно построить магнитную характеристику, т.е. график зависимости магнитного потока Ф от тока /п в обмотке.
В простейшем случае, когда сечение сердечника одинаково на всех его участках, а воздушный зазор отсутствует, магнитная характеристика отличается от кривой намагничивания только масштабами, так как магнитный поток Ф пропорционален индукции В, а напряженность поля Н пропорциональна намагничивающему току /нам.
Процесс намагничивания ферромагнитных материалов является не вполне обратимым. Из физики известно, что при ослаблении намагничивающего тока /нам уменьшение магнитной индукции В идет не по кривой намагничивания (1—0^1 на рис.8, б), а несколько выше. При отключении тока магнитная индукция не спадает до нуля, так как сердечник остается намагниченным (остаточная намагниченность). Чтобы

Рис.8. Принцип действия насыщающегося трансформатора тока:
а - схема; б - кривая намагничивания ферромагнитного материала; в - кривые намагничивания при КЗ в защищаемой зоне и в условиях срабатывания реле; г — то же при включении защищаемого трансформатора под напряжение
уничтожить остаточное магнитное поле, т.е. сделать индукцию В равной нулю, нужно пропустить по первичной обмотке ток обратного направления, создающий такую напряженность магнитного поля Н, которая скомпенсирует остаточную намагниченность. Необходимая для этого напряженность поля Я называется задерживающей или коэрцитивной силой.
Если ток обратного направления увеличивать, то сердечник намагничивается в обратном направлении. Когда напряженность магнитного поля достигает значения —Нтах, равного по абсолютной величине напряженности +Нтах, индукция В будет примерно равна Втах, т.е. окажется близкой по абсолютной величине к тому максимальному значению Втах, при котором было начато ослабление намагничивающего тока. При новом уменьшении тока изменение магнитного поля будет происходить в такой же последовательности, давая новую, расположенную почти симметрично со старой, ветвь кривой.
Процесс отставания изменений магнитного доля от изменений намагничивающего тока называется гистерезисом, а изображающая ' его замкнутая кривая — петлей гистерезиса.
Значение магнитной индукции Вг при токе намагничивания, равном нулю, называется остаточной индукцией.
На рис. 8, в, г изображены кривые, показывающие, как трансформируется ток с различной формой кривой во вторичный контур насыщающегося трансформатора. При прохождении по первичной обмотке синусоидального тока, значения которого меняются во времени от +1тах До —Imax, магнитная индукция сердечника также изменяется от +Втах до -Втах. При этом ЭДС на вторичной обмотке, а следовательно, и ток в реле получают большие значения. На этом же рисунке показана петля гистерезиса, соответствующая срабатыванию реле.
Если в первичной обмотке проходит апериодический ток (рис.8, г), располагающийся по одну сторону оси времени, перемагничивание сердечника происходит по так называемой динамической петле гистерезиса (1—2—1; 3—2—3), так как индукция изменяется в небольших пределах на величину Ва. При таком изменении индукции ток в реле будет мал, хотя абсолютные значения бросков тока небаланса в переходном режиме велики.
Для того чтобы при наличии апериодической слагающей реле могло сработать, требуется значительное увеличение переменной составляющей в первичном токе. Для надежной отстройки дифференциальных реле от небаланса при переходных режимах очень важную роль играют следующие особенности выполнения реле с НТТ.
1. Уставка срабатывания исполнительного реле, включенного в цепь вторичной обмотки НТТ, всегда остается неизменной и называется вторичным током срабатывания fcv дифференциального реле. Поскольку /ср для данного типа реле неизменный, наводящий его магнитный поток Фср, а следовательно, и индукция Вср также имеют постоянное значение. Но в условиях, когда насыщение сердечника еще не произошло, магнитный поток Ф пропорционален произведению тока в первичной обмотке трансформатора на число витков, т.е. пропорционален магнитодвижущей силе (МДС), создаваемой током первичной обмотки, следовательно, МДС Fcp, необходимая для срабатывания реле, является постоянной величиной.
Уставка срабатывания защиты регулируется изменением числа витков первичной обмотки НТТ. Чем грубее заданная уставка срабатывания дифференциальной защиты, тем меньше число витков первичной обмотки НТТ требуется включить в схему, и наоборот, для получения меньшего тока срабатывания защиты нужно включить большее число витков первичной обмотки.
Ток в первичной обмотке НТТ, при котором реле срабатывает, называется первичным током срабатывания реле (Уср).
2. Параметры НТТ (размер магнитопровода, сорт стали, обмоточные данные) выбираются из такого расчета, чтобы соблюдать два требования.
С одной стороны, индукция срабатывания Вср должна быть по возможности меньшей (рис.8, в). В этом случае при повреждении в защищаемой зоне, когда ток короткого замыкания /к в несколько раз превышает первичный ток срабатывания реле/ср, возросшая индукция ±Втах обеспечит повышенную кратность вторичного тока /к, и реле подействует надежно и быстро.
С другой стороны, для надежной отстройки от апериодических токов переходных процессов Вср должна быть как можно ближе к максимальной индукции, получающейся при насыщении магнитопровода. В этом случае Ба окажется в несколько раз меньше Вср, и ток в реле 7Hg будет во много раз меньше тока срабатывания /ср.
Даже при наличии большой переменной составляющей в полном токе переходного процесса в первые моменты трансформация происходит слабо, так как изменение индукции на участке Оа соответствует пологой части петли гистерезиса (сердечник насыщен). В последующие моменты времени, когда апериодическая составляющая уже исчезла и по первичной обмотке проходит только переменный ток установившегося небаланса, трансформация улучшается. Но от установившегося небаланса реле не срабатывает, поскольку, как известно, уставка на нем грубее этого вида небаланса.
При повреждении в защищаемой зоне апериодическая составляющая тока короткого замыкания (начальные один-два периода) вносит в действие дифференциальной защиты замедление на 0,01-0,04 с. Происходит это за счет насыщения магнитопровода апериодической составляющей тока КЗ.
Отличие тока срабатывания исполнительного реле РТ-40 (или ЭТ-521) от заданного в паспорте ухудшает качество дифференциального реле. Если /ср больше указанного в паспорте, то при повреждении в защищаемой зоне вторичный ток реле /к из-за насыщения магнитопровода НТТ может оказаться недостаточным для надежного действия реле. При уменьшении вторичного тока срабатывания /ср ниже заданного ухудшается отстройка от апериодической составляющей токов небаланса и токов намагничивания.
Качество настройки исполнительного реле исправность НТТ косвенно характеризуются коэффициентом надежности. Под
коэффициентом надежности понимается отношение максимально возможного тока в исполнительном реле 1тах к току /ср при подаче в первичную обмотку синусоидального тока.
Для реле РНТ коэффициент надежности определяется отношением напряжений на обмотке исполнительного реле при подаче в первичную обмотку 2/ср и /ср; 5/ср и /ср:
(5)