Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
30.01.2016

Идентификационные признаки работы трансформаторов тока с погрешностями

Минакова Татьяна Евгеньевна
кандидат технических наук, доцент, кафедра электроэнергетики и электромеханики, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
Пиунов Юрий Геннадьевич
магистрант, кафедра электроэнергетики и электромеханики, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
Аннотация: В работе выявлены признаки работы трансформатора тока с погрешностями. Определены показатели, характеризующие вероятность проявления таких признаков в практике эксплуатации электроустановок и систем электроснабжения. Получены характеристики важности их учета при выборе средств релейной защиты и автоматики и разработке новых микропроцессорных устройств.
Ключевые слова: трансформаторы тока, электромагнитные преобразователи, погрешность трансформаторов тока, релейная защита, автоматика
Электронная версия
Скачать (550.6 Kb)

1. Введение

В системах электроснабжения предприятий минерально–сырьевого комплекса широко используются средства релейной защиты и автоматики, использующие в качестве датчиков трансформаторы тока (ТТ). На сегодняшний день основная конструкция ТТ – это электромагнитные трансформаторы [9, 27].

Трансформаторы тока в схемах релейной защиты и автоматики работают в условиях переходных процессов. При этом на точность работы трансформатора тока влияет совокупность факторов, таких как конструктивные особенностями самого измерительного трансформатора, параметрами первичной сети, параметры аварийных переходных процессов [3 – 5, 18].

Нормируемая погрешность ТТ для работы устройств релейной защиты и автоматики составляет 10 %. В аварийных режимах работы, особенно в условиях переходных процессов, возникает повышенная погрешность ТТ. Может изменяться форма вторичного тока. Наиболее чувствительными к погрешностям ТТ при аварийных переходных режимах являются дифференциальные защиты, которые, в отличие от токовых защит, по своему принципу действия отстраиваются не от значений вторичного тока, а от значительно меньшего по величине тока небаланса. Существует несколько способов обеспечения правильной работы защит при насыщении трансформаторов тока:

- оптимизация параметров защит с процентным торможением по условию отстройки от влияния погрешностей ТТ в переходных режимах.

- применение дополнительных принципов и средств их реализации, дифференциально-фазного способа защиты (ДФЗ).

- применение защит с идентификацией по форме вторичного тока ТТ интервалов времени точной трансформации.

Использование систем РЗ на микропроцессорной базе позволяет разрабатывать новые алгоритмы и методы для учета погрешности ТТ, например, путем обнаружения интервалов правильной трансформации (ИПТ) по выборкам замеров значений вторичного тока ТТ.

Предлагаемый в данной статье комплекс способов решения данной проблемы, становится возможным ввиду широкого распространения микропроцессорных защит с гибкой изменяемой логикой [6, 11 – 13, 17, 21, 25].

2. Цель работы

Выявление факторов, влияющих на погрешность работы трансформатора тока, способов, с помощью которых можно идентифицировать работу ТТ в режиме с насыщения стали сердечника, а также оценка влияния эти факторов на точность измерения и селективность работы средств релейной защиты.

3. Идентификационные признаки

Признаки перехода ТТ в режим насыщения, а соответственно, увеличения погрешности, установлены по результатам аналитического обзора литературы и исследований работы ТТ в рабочих [1, 2, 8, 10, 23, 24] и ненормальных режимах [16, 22, 26, 28, 29]. Аварийные режимы характеризуются набором признаков, не все из них проявляются при каждом аварийном режиме [7, 14, 15, 19, 20], поэтому по экспертным оценкам была установлена вероятность проявления признаков.

Вероятность появления показывает долю тех случаев, когда идентификационный признак погрешности ТТ имеет место при переходных процессах в нормальных, в аварийных режимах первичной сети .

С использованием знаний экспертов оценена также важность использования признака – насколько событие указывает на аварийный режим, или (в зависимости от события), насколько оно увеличивает погрешность измерительного трансформатора тока, а соответственно требует применения средств повышения селективности релейной защиты.

В результате анализы были выявлены следующие идентификационные признаки.

1) Действующее и амплитудное значение вторичного тока, и их превышение над максимальными рабочими значениями.

В аварийных переходных режимах, например, при коротких замыканиях, признаком возникновения такого режима является повышение действующего и амплитудного значения вторичного тока.

2) Факт изменение действующего и амплитудного значения вторичного тока.

При переходных процессах амплитуда изменяется в течение малого промежутка времени. В качестве идентификационного признака может быть использовано изменение значения амплитуды за небольшой период времени, например, 0,025 с.

3) Производная вторичного тока

Вычисляя производную тока в каждый момент времени, при ее высоком уровне (быстро возрастающих токах), можно выявить наличие переходного процесса.

4) Апериодическая составляющая во вторичном токе

Возникновение апериодических затухающих токов обусловлено изменением баланса реактивной мощности в первичной сети. Апериодическая составляющая является индикатором переходного процесса. Затухающие токи плохо трансформируются во вторичную цепь, насыщая магнитопровод, что вызывает дополнительную погрешность.

5) Высшие гармоники во вторичном токе.

Высшие гармоники имеют место и в нормальном режиме, но в переходных режимах токи высших гармоник могут возрастать. Например, при несимметричных коротких замыканиях генераторы электростанций несинусоидальный ток.

6) Появление тока обратной последовательности.

При несимметричных коротких замыканиях появляется обратная последовательность в трехфазной системе токов.

7) Появление токов нулевой последовательности.

При однофазных замыканиях и реже случающихся двухфазных замыканиях на землю, появляется нулевая последовательность.

8) Снижение напряжения в сети.

В сети при возникновении короткого замыкания, наблюдается снижение напряжения, значительное при близких КЗ и наоборот.

9) Изменение полного сопротивления первичной цепи.

При возникновении короткого замыкания сопротивление фазы до точки КЗ уменьшается, этот признак указывает на наличие переходного режима.

10) Появление пиков и скачков в синусоиде вторичного тока.

В переходном режиме может происходить искажение синусоиды как по длительности, так и по амплитуде, вторичный ток приобретает форму кратковременного пика.

11) Увеличение (или уменьшение) длительности полупериода вторичного тока.

Апериодические составляющие токов КЗ, происходящих в начале полупериода, повышают длительность последующего полупериода, а при Кз в фазах, когда токи близки к максимальным, могут снижать названную длительность.

12) Несимметрия положительной и отрицательной полуволны относительно оси времени.

Обусловлена теми же причинами, которые поименованы в предыдущем пункте, но предполагает идентификацию на более протяженном интервале времени.

13) Несимметрия синусоиды относительно точки перехода через ноль.

Обусловлена теми же причинами, но предполагает сопоставление не только протяженности, но и мгновенных значений полупериодов тока.

14) Выпуклость и вогнутость кривой синусоиды.

При работе ТТ без насыщения кривая вторичного тока характеризуется выпуклостью, в то время как при насыщении, может происходить снижение вторичного тока с вогнутой формой кривой.

15) Влияние коэффициента трансформации измерительного трансформатора.

При повышении коэффициента трансформации снижается вторичный ток при том же значении сопротивления вторичной цепи и при том же значении первичного тока уменьшается вторичная ЭДС. Следовательно, снижается и максимальное значение индукции Bm. Для создания меньшей индукции требуется меньшая магнитодвижущая сила (МДС). Снижение индукции означает ненасыщенный режим работы магнитопровода. Следовательно, токовая и угловая погрешности ТТ уменьшаются. Выбирая больший коэффициент уменьшается погрешность, при этом нужно учитывать, что релейная защита и автоматика должна быть помехоустойчивой.

16) Влияние вторичной нагрузки ТТ на погрешность.

Увеличение сопротивления вторичной нагрузки обусловливает возрастание ЭДС вторичной цепи E2 (так как E2=I2۰z2). Возможно и изменение угла нагрузки вторичной цепи. С увеличением E2 повышается индукция Bm, а соответственно - МДС намагничивания F0. Следовательно, с увеличением z2 погрешности ТТ (как токовая, так и угловая) растут.

17) Влияние величины тока короткого замыкания в области 10-типроцентной кратности.

В соответствии с тем, насколько превышает (или не превышает) ток короткого замыкания максимальный ток кривой 10-ти кратной погрешности зависит погрешность ТТ.

18) Влияние отклонения характеристики намагничивания трансформатора тока, от заводской характеристики аналогичных трансформаторов тока.

Характеристики трансформаторов одной марки всегда отличаются друг от друга, и от идеальной заводской характеристики. Учитывая такое отличие, можно, корректировать погрешность трансформатора тока.

19) Влияние постоянной времени первичной сети (Ta).

Величина постоянной времени зависит от параметров сети и места короткого замыкания. С ростом времени затухания апериодических составляющих токов они в большей степени намагничивают магнитопровод, переводя его в насыщение, и соответственно увеличивается погрешность измерения.

20) Влияние начальной фазы первичного тока.

Начальная фаза является случайной величиной, изменяющейся в пределах от 0 до 90º. Она определяет уровень тока короткого замыкания, и влияет на погрешность измерения.

21) Влияние характера вторичной (внешней) нагрузки (сosφ) трансформатора тока.

Величины активного и реактивного сопротивления вторичной нагрузки влияют на погрешность трансформатора тока.

Вероятность появления признаков – показатель частоты события-признака при переходных процессах в нормальных и аварийных режимах первичной сети.

Важность идентификационных признаков – величина, показывающая, насколько в реальных условиях событие указывает на аварийный режим, или (в зависимости от события) насколько оно увеличивает (уменьшает) погрешность измерительного трансформатора тока.

Авторами получены вероятность появления признаков, которые используются в методах повышения селективности средств релейной защиты, а также важность их использования, агрегированные в таблице 1.

Таблица 1. Итоговые показатели признаков погрешности ТТ

Факторы влияния на погрешность

Вероятность появления,

%

Важность,

%

1. Действующее значение и амплитуда вторичного тока и их превышение над рабочими максимальными значениями

73,125

55

2. Факт изменения амплитуды и действующего значения вторичного тока

45

28,75

3. Производная вторичного тока

41,875

41,25

4. Апериодическая составляющая во вторичном токе.

42,5

39,375

5. Высшие гармоники во вторичном токе

45,625

38,125

6. Появление тока обратной последовательности

31

33,125

7. Появление тока нулевой последовательности

53,125

41,875

8. Снижение напряжения в сети

35

21,25

9. Изменение полного сопротивления первичной цепи

36,875

30

10. Появление пиков в синусоиде вторичного тока.

36,875

30

11. Увеличение, уменьшение длительности полупериода вторичного тока

17,5

23,75

12. Несимметрия положительной и отрицательной полуволны относительно оси времени

27,5

28,75

13. Несимметрия синусоиды вторичного тока относительно точки перехода через ноль

14,75

21,875

14. Выпуклость и вогнутость кривой синусоиды

30

21,25

15. Влияние коэффициента трансформации на погрешность трансформатора тока

45

34,375

16. Влияние вторичной нагрузки на погрешность трансформатора тока.

38,125

33,75

17. Влияние величины тока короткого замыкания (с учетом 10-ти процентной кратности) на погрешность

45

47,5

18. Влияние отклонения характеристики намагничивания трансформатора тока от типовой заводской

53,75

48,75

19. Влияние постоянной времени первичной сети. (Та)

17,5

8,75

20. Влияние начальной фазы первичного тока.

27,5

27,5

21. Влияние характера вторичной нагрузки ТТ (cosφ).

13,75

23,125

Результаты данной таблицы могут быть использованы при выборе средств релейной защиты и автоматики для использования на практике. Не менее важно использование полученных показателей при разработке новых алгоритмов функционирования РЗА на микропроцессорной базе. На практике это даст повышение совершенства РЗА, а также селективности их действия, особенно в тяжелых аварийных режимах.

4. Заключение

На точность измерения трансформатора тока влияет много факторов. Каждый фактор имеет свой уровень влияния на точность измерения. Анализ таких факторов и степени их влияния позволяет добиться снижения погрешности трансформатора тока.

В настоящее время предпринимаются попытки создать алгоритм уменьшения погрешности ТТ. Полученные показатели факторов погрешности позволяют добиться повышения селективности, чувствительности, быстродействия и надежности РЗА.

Список литературы:

1. Божков М.И., Пущин С.Л. Эвристический анализ данных АИИС КУЭ для краткосрочного прогнозирования электропотребления на примере аппаратостроительного завода // Промышленная энергетика. – 2014. – № 3. – С. 8-11.

2. Минаков В.Ф. Метод анализа многомерных иерархий // Nauka-rastudent.ru. – 2015. – № 7 (19). – С. 31.

3. Минаков В.Ф. О схемах замещения асинхронных и синхронных машин // Электричество. – 1995. – № 4. – С. 27-29.

4. Минаков В.Ф. Обобщение моделей и характеристик работы трехфазных электродвигателей в сетях 0,4 и 6 кВ и совершенствование средств их релейной защиты: Автореф. дисс. ... докт. техн. наук. – Новочеркасск. – 1999. – 33 с.

5. Минаков В.Ф. Релейная защита турбогенератора с частотно–тиристорным пуском: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. – Новочеркасск. – 1985. – 16 с.

6. Минаков В.Ф. Совершенствование защиты вентильного двигателя // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2015. – № 1-3 (32). – С. 20-22.

7. Минаков В.Ф., Дорожко С.В. Математическое моделирование датчика несимметрии и несинусоидальности трехфазного напряжения прямой или обратной последовательности // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 1992. – № 6. – С. 3-8.

8. Минаков В.Ф., Минакова Т.Е. Исследование динамики производства электроэнергии региона // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. – 2005. – № 4. – С. 74-77.

9. Минаков В.Ф., Минакова Т.Е. Исследование погрешностей трансформатора тока // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 12-1 (19). – С. 107-108.

10.Минаков В.Ф., Минакова Т.Е. Модель мультипликативной эффективности энергосбережения // Информационные технологии в бизнесе. Сборник научных статей 8-й международной научной конференции. – Санкт-Петербург. Издательство «Инфо-да». – 2013. – С. 88-95.

11.Минаков В.Ф., Минакова Т.Е. Способ быстродействующей защиты электродвигателей от несостоявшихся пусков // Альманах современной науки и образования. – 2013. – № 9 (76). – С. 113-115.

12.Минаков В.Ф., Минакова Т.Е. Способ защиты двигателей от несостоявшихся пусков // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 12-1 (19). – С. 106-107.

13.Минаков В.Ф., Минакова Т.Е. Способ контроля симметрии трехфазного напряжения // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2014. – № 3-2 (22). – С. 39-40.

14.Минаков В.Ф., Редькин В.М., Науменко А.Г. Многофакторная диагностика износа изоляции обмоток и срока службы электродвигателей по эксплуатационным параметрам // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 1992. – № 6. – С. 73.

15.Минаков В.Ф., Редькин В.М., Оськина Г.М., Минакова Т.Е. Математическое моделирование пусковых режимов трехфазных асинхронных двигателей // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. – 2003. – № 1. – С. 226-234.

16.Минакова Т.Е., Лобанов О.С., Галстян А.Ш. Энергосбережение: инфраструктурный подход // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2014. – № 7-1 (26). – С. 54-55.

17.Минакова Т.Е., Минаков В.Ф. Блочная структура релейной защиты и автоматики // Альманах современной науки и образования. – 2013. – № 10 (77). – С. 114-116.

18.Минакова Т.Е., Минаков В.Ф. Интеграция средств защиты электродвигателей сельскохозяйственного производства // Научное обозрение. – 2013. № 10. – С. 172-176.

19.Минакова Т.Е., Минаков В.Ф. Моделирование износа изоляции трехфазных асинхронных электродвигателей 0,4 кВ // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 2014. – № 3. – С. 94-95.

20.Минакова Т.Е., Минаков В.Ф. Обобщенная модель износа электродвигателей // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 12-1 (19). – С. 108-110.

21.Минакова Т.Е., Минаков В.Ф. Открытая архитектура релейной защиты и автоматики // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 12-1 (19). – С. 110-111.

22.Минакова Т.Е., Минаков В.Ф. Параллельная работа кабельной и воздушной линий электропередачи // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 11-1 (18). – С. 113-114.

23.Минакова Т.Е., Минаков В.Ф. Синергия энергосбережения при высокой добавленной стоимости продукции // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 4. – С. 26.

24.Минакова Т.Е., Минаков В.Ф. Энергосбережение – мультипликатор эффективности экономики // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 11-2 (18). – С. 60-61.

25.Минакова Т.Е., Минаков В.Ф., Лобанова Ж.А. О возможности работы микропроцессорных средств релейной защиты и автоматики в компьютерных сетях // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2014. – № 7-1 (26). – С. 53-54.

26.Минакова Т.Е., Пиунов Ю.Г. Энергобаланс ОЭС Северо-Запада в послеаварийном режиме на Автовской ТЭЦ // Nauka-rastudent.ru. – 2015. – № 11 (23). – С. 34. / [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://nauka-rastudent.ru/23/3013/.

27.Патент 2117380 Российская Федерация, МПК6 H 02 P 5/04. Устройство для защиты электро- и технологического оборудования / Минаков В.Ф., Платонов В.В., Минаков Е.Ф., Минакова Т.Е., Шарипов И.К., Андреев В.Г., Сыщиков В.П.; патентообладатель Ставроп. с./х. ин-т. – № 93027024/09; заявл. 25.05.93; опубл. 10.08.98.

28.Хорольский В.Я. Медведев А.А., Жданов В.Г.. Задачник по эксплуатации электрооборудования. – Ставрополь: СГСХА. – 1997. – 168 с.

29.Хорольский В.Я., Таранов М.А. Надежность электроснабжения. – Ростов-на-Дону: «Терра Принт». – 2007. – 120 с.