CC BY
40
II. ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА
УДК 621.316.925
Нщенко В. В.1, Кулапн Д. О.2, Махлш П. В.3
Инженер СРЗАР ВП ДП «НЕК «Укренерго» Днпровська ЕС, Запорiжжя, УкраТна 2Канд. техн. наук, професор кафедри ЕПП ЗНТУ, Запоржжя, УкраТна 3Канд. техн. наук, доцент кафедри ЕПП ЗНТУ, Запорiжжя, УкраТна
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ПОХИБОК ТРАНСФОРМАТОР1В СТРУМУ У СИСТЕМАХ РЕЛЕЙНОГО ЗАХИСТУ В УСТАЛЕНИХ ТА ПЕРЕХ1ДНИХ
РЕЖИМАХ ЕНЕРГОСИСТЕМИ
Метароботи. Визначення максимальних величин струмових та кутових похибок трансформаторiв струму та характеру Их змти вусталених та nерехiднихрежимах енергосистеми, за якихможливий вихiд величин похибок за межi дiапазону нормованих значень, а також у порiвняннi ступеня змти струмових та кутових похибок трансформаторiв струму, призначених для живлення вторинних кы пристрош релейного захисту, за цих режимiв.
Метода дослгджень. До^дження проведено шляхом застосування методу iмiтацiйного моделювання та вiзуалiзацií на ПВМ функцюнування трансформатора струму, призначеного для живлення вторинних кы пристроив релейного захисту, в усталених та перехiднихрежимах енергосистеми та за рiзнихумов його експлуа-тацп.
Отримашрезультата. Авторами було визначеноу вiдсотковому спiввiдношеннi максимальт струмовi та кутовi похибки трансформацп первинного струму до вторинного кола трансформатора струму, як обумов-лею наявтстю струму намагтчування та активних втрат вмагштнт системi до^джуваного трансформатору струму, виконано !х порiвняння, а також зроблен висновки щодо !х змти в усталених та перехiдних режимах, зокрема, встановлено той факт, що струмовi похибки в аваршних режимах змтюються в значно бтьшому ступет, тж кутовi та за певнихумов можуть виходити за межi нормованих державними стандартами значень.
Наукова новизна. Авторами булорозроблено сучасний метод до^дження струмових та кутових похибок трансформаторiв струму, призначених для живлення вторинних кы пристрош релейного захисту, заснований на використанш комп 'ютерно!моделi iдеального трансформатора струму злттною безгiстерезисною характеристикою намагтчування, що мае подiбнi характеристики та параметри первинного i вторинного кола з до^джуваним реальним трансформатором струму.
Практична значим1сть. Отриман результати можуть бути використанн при визначенн оптимальних умов експлуатаци трансформаторiв струму тарозробщ нових принцитв виконання вимiрювальних та логiчних оргатв пристрош релейного захисту елементiв електричних станцт та мереж, зокрема, було зроблено висно-вок про те, що для забезпечення быьш чутливого та селективного захисту можуть бути використан пристрой, що за принципом свое! дп реагують лише на фазн спiввiдношення мiж струмами трансформаторiв струму приеднань, як мають бути вiдлаштованi лише вiд кутових похибок вимiрювань.
Ключов1 слова трансформатор струму, струмова похибка, кутова похибка, релейний захист, аваршний режим.
1 ВСТУП
Вишрювальт трансформатори струму (ТС) е основ-ними давачами шформацп щодо абсолютно! величини та фази первинного струму електрично! мереж1 (ЕМ) для вимрювальних пристро!в, пристро!в облшу електрично! енергп, а також для пристро!в релейного захисту (РЗ), системно! та протиаваршно! автоматики, автоматичних систем керування, мониторингу, реестраци, тощо. Точшсть роботи ТС, що призначеш для живлення пристрош РЗ, в аваршних режимах роботи визначаеться !х максимально допустимою похибкою, що мае м1сце при трансформацп первинного струму у вторинне коло ТС та обумовлена наявшстю струму намагтчування 1 активних втрат в магттнш систем! ТС, [1, 3, 4, 5, 8]. Величи-
ни допустимих похибок ТС нормуються вщповщно до вимог [2, 6], та для забезпечення селективно! ! надшно! роботи бшьшосп пристро!в РЗ не повинш перевищува-ти бшьш як 10% в аваршних режимах ЕМ, [6].
Виб!р типу та техшчних характеристик ТС для застосування у вим!рювальних струмових колах р!зних титв пристро!в РЗ та наступна експлуатащя цих ТС мае надто ввдповвдальний характер з точки зору забезпечення правильно! дл зазначених пристро!в при коротких замикан-нях (КЗ) у межах зони, що захищаеться ними, та поза !! межами. Визначення параметр1в спрацювання деяких титв пристро!в РЗ (диференцшний захист лшш електро-передач1, трансформатор1в, реактор1в, шин, генератор1в { т.д.), яю реагують на р1зницю векторних величин струшв, вимряних ТС, до вторинних юл яких тдключено захист,
© Нщенко В. В., Кулапн Д. О., Махлш П. В., 2016 DOI 10.15588/1607-6761-2016-2-7
здшснюеться за умови ввдлаштування Гх ди ввд струму небалансу у диференцiйному колi захисту, що перш за все обумовлений вiдмiннiстю похибок цих ТС, [3, 4, 8, 9]. За рiзних умов та режимiв експлуатацií ТС Гх похибки змiнюються нелшшно в залежносп ввд штенсивносп впли-ву ряду факторiв ЕМ та параметрiв ГГ режиму роботи, [1, 5, 9], причому для ТС, як1 мають вiдмiннi характеристики намагнiчування, Гх похибки змiнюються неоднако-во, що особливо стае помггним при значних кратностях первинного струму КЗ та призводить до збiльшення струму небалансу, ввд максимальноГ величини якого мае бути ввдлаштований захист, виконаний на диференцiйному принцип1, [4, 6]. Через це, ввдповвдно до [2, 6], встановлю-ються вимоги щодо однотипностi ТС, як1 застосовують-ся у колах оргашзацп схем диференцшннх захистiв. При цьому виконання цих вимог повною мiрою не може бути забезпечене, що пов'язано з труднощами вибору таких ТС, що мають досить схож1 м1ж собою кривi намагтчу-вання, а це в свою чергу призводить до появи похибок та необхвдносп загрублення комплекту диференц1йного РЗ або виконання спещальних заходiв щодо забезпечення його достатньоГ чутливостi вiдповiдно до вимог [6, 7]. НайбТльшого впливу на роботу пристроГв диференцш-ного РЗ завдае саме струмова похибка трансформацп первинного струму, яка не повинна перевищувати 10%, ввдповвдно до вимог [2, 6]. Кутова похибка, ввдповвдно до [1, 2], не нормуеться та враховуеться лише при забезпе-ченнi селективноГ дií окремих титв РЗ, що здшснюють вимiрювання фаз первинних струмiв приеднань та Гх по-рiвняння м1ж собою (наприклад диференцiйно-фазний захист повiтряних л1н1й електропередачТ). Ввдповвдно до [1, 5, 9], струмовТ похибки ТС в аваршних режимах роботи енергосистеми зростають в значно бшьшому ступенi тж Гх кутовТ похибки та в перехвдних режимах КЗ за найбшьш несприятливих умов (з максимальною за величиною аперюдичною складовою первинного струму та тривалим часом ГГ затухання) струмова похибка ТС може досягати майже 81-90%, у той час як Гх кутова похибка не перевищуе 46-500, що у ввдсотковому сшвввдношент складае близько 25-28%.
2 АКТУАЛЬН1СТЬ ДОСЛ1ДЖЕННЯ
Проведення дослвдження роботи ТС, яш застосову-ються для живлення струмових к1л пристроГв РЗ, в уста-лених та перехiдних режимах енергосистеми е актуаль-ним з точки зору визначення оптимальних показнишв та режимiв Гх роботи, за яких похибки трансформацií' первинного струму ТС не перевищуватимуть встановлених у [2, 6] величин за умови забезпечення правильного фун-кцюнування пристроГв РЗ, що шдключеш до вторинних кш ТС. Також проведення дослвдження мае на метi вия-вити стутнь змши похибок ТС в залежносп ввд змши параметрiв Гх первинних та вторинних кш, визначити у ввдносних одиницях рТзницю м1ж струмовими та кутови-ми похибками ТС в аварiйних режимах енергосистеми, а також необхвдтсть розробки пристроГв РЗ, що за принципом своеГ ди е менш залежними ввд впливу похибок ТС.
3 МЕТА ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛ1ДЖЕННЯ
Мета проведення дослвдження полягае у визначенш максимальних величин струмових та кутових похибок ТС та характеру Гх змши в усталених та перехвдних режимах енергосистеми, за яких можливий вихвд величин похибок за меж1 дiапазону нормованих значень, а також у порТвнянт ступеня змТни струмових та кутових похибок ТС, призначених для живлення вторинних кш пристроГв РЗ, за цих режимiв.
4 МАТЕР1АЛИ ТА МЕТОДИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛ1ДЖЕНЬ ЗМ1НИ СТРУМОВИХ ТА КУТОВИХ ПОХИБОК ТС В АВАР1ЙНИХ РЕЖИМАХ
4.1 Характеристика методу та об'екту дос-лiдження
Для дослвдження змши струмових та кутових похибок ТС авторами проведено моделювання роботи ТС за рТзних режишв енергосистеми, параметрiв його первинного та вторинного кола.
Для проведення моделювання авторами було розроб-лено та застосовано споаб наближеноГ оцшки похибок трансформацiГ ТС, що дозволяе ввдтворити реальний режим роботи ТС в електроустановках ЕМ та заснований на застосуваннi моделi вдеального ТС з заданими параметрами, тобто такого ТС, що працюе з нульовою по-хибкою трансформацп первинного струму у вторинну обмотку, дослвджент модел1 та ГГ знамени з моделлю обраного реального ТС з заздалепдь ввдомими техтчни-ми характеристиками, визначеними заводом-виробни-ком. Процес трансформацп струму з первинноГ елект-ромереж до вторинного кола ТС в усталених та перехвдних режимах, описуеться рТвняннями, що приведет в [11], на основТ яких авторами створен модел1 реального та вдеального ТС. Розроблений авторами споаб дослвд-ження струмових та кутових похибок ТС ввдповвдае ос-новним принципам функцюнування ТС в усталених та перехвдних режимах роботи ЕМ.
Розглянемо бшьш детальнiше запропонований авторами споаб наближеноГ оцшки струмових та кутових похибок ТС з застосуванням модел1 вдеального ТС, який мае однаковi характеристики з обраним для дослвдження ТС та працюе з нульовою похибкою трансформацií струму (мае прямолшшну криву намагшчування).
У якосп ТС, що дослвджуеться авторами було обрано сучасний ТС з елегазовою iзоляцiею типу ТОГ-170-П-1 У1, що на сьогодтшнш день впроваджуеться в експлуа-тащю при реконструкцп дючих енергетичних об'ектiв та будТвницга нових Т за принципом своеГ ди е аналогом застаршнх масляних ТС типу ТФЗМ-150 У1 Т т.п. Ввдповь дно до наданоГ заводом-виробником (КО «ЗапорТзький завод високовольтноГ апаратури») шформацп, обраний для дослвдження ТС мае наступн1 техтчш характеристики: ия = 150 кВ, /1ном = 1200 А, 12ном = 1 А К ном = 20 ,
^2ном = 50 ВА. Зовшшнш вигляд та схема замщення еле-газового трансформатору струму типу Т0Г-170-11-1 У1 приведен! на рис. 1 та рис. 2 вщповщно, [12].
Для вщтворення криво! намагшчування ТС, що досл-щжуеться, було застосовано кусково-лшшну апроксима-цш безпстерезисно! криво! намагшчування трьома пря-молшшними в1др1зками, що характеризують роботу ТС в режим1 з ненасиченим осердям, в близькому до наси-
чення режим1 та за глибокого насичення магштопрово-ду ТС. Наявнють залишково! шдукцп в магштнш систем1 ТС, що дослщжуеться, при моделюванш його роботи за р1зних режим1в роботи ЕМ не враховувалась. Залежнють величини навантаження вторинного кола релейно! обмотки (класу 10Р) ТОГ-170-11-1 У1 вщ гранично! кратност первинного струму КЗ та Г! вольт-амперна характеристика (ВАХ) приведен! на рис. 3 та рис. 4 вщповщно.
Рисунок 1 - Зовшшнш вигляд одше! фази трансформатору струму типу Т0Г-170-11-1
Рисунок 2 - Схема замщення трансформатору струму типу Т0Г-170-11-1, який дослщжуеться у статт
120
Ккр. в о.
100
80
60
40
20
1 1
_ ВА
10
20
30
40
50
60
70
90
100
Рисунок 3 - Характеристика залежност величини навантаження вторинно! обмотки класу 10Р ТС типу Т0Г-170-11-1 У1 вщ
гранично! кратност первинного струму КЗ
У табл. 1 наведет дослвдш дат, на основТ яких була побудована ВАХ ТС, що дослТджуеться.
4.2 Технiчна характеристика функщональ-но1 моделi та режимiв роботи ЕМ для прове-дення дослiдження
ОднолТтйна принципова схема подключения идеального ТС та ТС, що дослТджуеться, до первинноГ ЕМ на-пругою 150 кВ для визначення струмових та кутових по-хибок ТС приведена на рис. 5.
ТС, що дослТджуеться, та Тдеальний ТС, як показано на рис. 5, тдключено зустрТчно послщовно на рТзницю
струмТв '21та i22 у розрТз фазному проводнику ЕМ на 150
напругу кВ (86,7 кВ). Вторипн1 обмотки обох ТС замкнув на активно-шдуктивне навантаження 2 21 = 2 22 = (г2 + jx 2) з cosф=0,8. До виводТв первинних обмоток ТС ('1вх,'1вих), як зображено на рис. 5 та рис. 6, щдключене деяке навантаження, величина та характер якого змшюються в залежносп вТд режиму роботи ЕМ, що дослТджуеться.
Робота обраного ТС була дослТджена в наступних режимах ЕМ та за наступних умов:
- усталений режим КЗ з краттстю первиппого струму КЗ у межах Ккр =(10 + 40) при номшальному заван-
тажент вторинних юл ТС (г2=50 Ом, cosф=0,8);
- перехТдний режим КЗ з кратшстю первинного
струму КЗ у межах Ккр = (10 + 40), з максимальною за абсолютною величиною аперюдичною складовою первинного струму КЗ (¿1а = и) та постшною часу ГГ
затухання Т=1с при номшальному завантажеинi вторин-них к1л ТС (г2=50 Ом, ^ф=0,8);
- однофазний кидок струму намагнiчувания силового трансформатора, тдключеного до ЕМ, що дослвд-жуеться, який у 5-8 разТв перевищуе його номшальний струм при номшальному завантажеииi вторинних к1л ТС (г2=50 Ом, ^ф=0,8);
- усталений режим КЗ з номшальною граничною краттстю первинного струму (ККР = 20 ) при номшаль-ному завантажеипi вторииних юл ТС (г2=50 Ом, ^ф=0,8), при перевищеннТ допустимого завантажения вториииих к1л ТС на 50%, 100% та 200%.
2000
Е2. В
1800
1600
1400
1200
1000
еоо
600
400
200
___
/
-1 — [ц.1Ч1 А
0.01
002
003
004
0.05
006
0.07
0.0«
0.09
0.1
Рисунок 4 - ВАХ обмотки класу 10Р ТС типу ТОГ-170-11-1
Таблиця 1 - Дослщш дат, що використаш для побудови ВАХ ТОГ-170-11-1 У1
е2, в 50 370 620 920 1200 1300 1430 1550 1650 1800 1810
Т А -'-нам? л 0,002 0,005 0,0075 0,009 0,01 0,012 0,014 0,016 0,03 0,071 0,1
Вищезазначеш режими не е нормальними експлуа-тацiйними режимами ТС, що дослвджуеться, проте вони можуть виникаги за тих чи iнших умов його експлуа-таци, зокрема при порушенш вимог щодо його експлуа-таци в ЕМ з заданими параметрами режиму. При цьому похибки трансформаци первинного струму ТС за раху-нок насичення його магнггао! системи у вказаних режимах значно зростають. Основною причиною насичення релейного керну ТС у першому iз режимiв, для яких було проведене дослiдження його роботи, е перевищення гранично! крагносгi первинного струму КЗ, встановле-но! для даного типу ТС, що може мати мюце внаслвдок шдвищення рiвнiв струмiв КЗ, обумовлених змiною режиму роботи ЕМ, у якш застосовуеться ТС, та не вико-нанш при цьому своечасно! замiни даного ТС (не приве-дення у ввдповвдшсть новим розрахунковим струмам КЗ його характеристик) або ж може виявитись результатом рiзкого зниження ВАХ ТС та змши крутизни криво! ВАХ, що е наслвдком появи виткових замикань у вториннiй обмотц ТС. Причиною насичення ТС за другого та тре-тього режимiв моделювання його роботи може виявитись вплив аперюдично! складово! первинного струму, яка може досягати абсолютних значень, характерних ам-плиудним величинам перiодичних струмiв КЗ та обу-мовлювати при цьому наявшсть безструмових пауз та ввдсутшсть зворотних напiвхвиль первинного струму. У такому випадку трансформацiя спотвореного аперюдич-ною складовою первинного струму значно попршуеть-ся внаслвдок глибокого насичення магнiтно! системи ТС,
що призводить до виникнення значних похибок. Переви-щення допустимого завантаження вторинних к1л ТС, що використовуються для шдключення РЗ, також може мати мiсце у процеа експлуaтaцi! ТС, що е наслвдком неправильного виконання розрахунку завантаження вторин-них к1л ТС або ввдсутшстю даного розрахунку у рaзi про-ведення !х повно! реконструкцi! або пiдключеннi нових пристро!в до iснуючих к1л, що, як наслвдок, також при-зводить до насичення ТС та його роботи в номшально-му режимi з щдвищеними похибками, як1 при виникненш КЗ значно збiльшуються та можуть виявитись причиною надлишкових спрацювань деяких пристро!в РЗ елеменпв ЕМ. Вибiр для проведення дослвдження роботи ТС зазна-чених режимiв, як1 фактично не ввдповвдають умовам його нормально! експлуатацп, обумовлений перш за все необхвдтстю досягнення поставлено! у статт мети - мож-ливостi проведення дослвдження динaмiки змiни стру-мових та кутових похибок ТС, призначеного для живлен-ня пристро!в РЗ, яю при виконaннi всiх вимог до експлуатацп ТС не перевищуватимусь встановлених нормативами значень, що унеможливило б проведення !х запла-нованих у стати дослвджень. Крiм того, варто ввдзначига, що вiд умов роботи ТС у рiзних режимах залежить пра-вильне функцiонувaння пристро!в РЗ, тдключених до !х вторинних квд, i саме врахування вищезазначених ре-жимiв надае змогу проанал1зувати та прогнозувати ре-акцш цих пристро!в при виникненнi дослвджуваних ре-жшшв та зробити висновки щодо !х принципу виконання з урахуванням умови ввдлаштування ввд впливу пвдви-щених похибок ТС.
Рисунок 5 - Принципова однолiнiйнa схема шдключення ТС до первинно! ЕМ: i-í - первинний струм ЕМ; - вторинш струми
ТС, що дослщжуеться, та iдеaльного ТС вщповщно; idif - диференцшний струм ТС; г21, г22 - вторинш навантаження ТС,
що до&шджуетъся, та реального ТС вщповщно
Як показано на рис. 6, кожному режиму ввдповвда-ють визначеш значения параметр1в активного опору R2, R3, R4) та 1ндуктивносп L2, L3, L4) ЕМ з розрахунку забезпечення кратносп первинного струму КЗ: К = 10; 20; 30; 40; та кидку струму намагшчування К = 5; 6; 7; 8. Перемикання у схем1, метою яких е змша поточного режиму роботи ЕМ, здшснюються за допомогою переми-кач1в SA1-SA4, що замикаються на час, необхвдний для визначення вщносних значень похибок ТС, що дослвд-жуеться.
Функциональна схема визначення струмових та куто-вих похибок ТС за р1зних режим1в роботи ЕМ приведена на рис. 7.
На виводи схеми г^та г22 подаш вторинш струми ТС, що дослвджуеться, та вдеального ТС вщповщно, вивщ схеми призначений для вим1рювання диференцш-ного струму ТС (струму небалансу). Схема включае до свого складу кола визначення кутово! похибки та стру-мово! похибки ТС у вщсотковому значенш. Результуюч
Рисунок 6 - Схема керування режимом роботи ЕМ
Рисунок 7 -
Функцюнальна схема визначення струмових та кутових похибок ТС у ввдсотковому стввщношенш КБЫ 1607-6761. Електротехшка та електроенергетика. 2016. N° 2
сигнали вщ обох функцiональних кш схеми фiксуються за допомогою рееструючого пристрою - цифрового осцилографу SCOPE. Функцюнальш блоки к1л схеми визначення кутово! похибки ТС S21 та S22 призначенi для перетворення вхвдних перiодичних сигналiв струмiв г'21 та ¿22 в прямокутт ¡мпульси напруги на дiлянках !х позитивно! полярностг За допомогою блоку лопчно! операцi! «НЕ-АБО» NOR забезпечуеться визначення фактично! рiзницi (похибки) в секундах мгж фазами струмiв ¿21 та i22 в момент !х переходу через нуль. Блок штегратору Int виконуе функцiю перетворення iмпульсного сигналу, що подаеться на його вхвд, на iнтервалi одного перiоду про-мислово! частоти в пiкоподiбнi iмпульси напруги, як1 мають амплiтуду, пропорцшну тривалостi вхiдних iмпульсiв. Шляхом використання коефвденту К1
(К = —"--100% ) забезпечуеться приведення отри-
180
мано! в секундах величини кутово! похибки ТС до ввдсот-кового значения. Функцюнальш блоки кш схеми визначення струмово! похибки ТС RMS (RMS current) забез-печують визначення дшчих значень струмiв ¿21 та ¿22 за попереднiй перiод промислово! частоти.
Струмова похибка ТС визначаеться шляхом застосу-вання математичних операцш ввдповвдно до наступного виразу:
Д1 =
121 - I
22
I
22
(1)
Отримане значення струмово! похибки у вщносних одиницях приводиться до вiдсоткового значення шляхом використання коефiцiенту К2 (К2 = 100 ).
5. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛ1ДЖЕННЯ СТУПЕНИ ЗМ1НИ СТРУМОВИХ ТА КУТОВИХ ПОХИБОК ТС ЗА Р1ЗНИХ РЕЖИМ1В РОБО-ТИ ЕМ
На рис. 8-11 приведен! осцилограми процес!в прове-деного авторами дослщження зм!ни струмових та куто-вих похибок ТС за р!зних режим1в роботи ЕМ та заванта-ження вторинного кола ТС. На осцилограмах зафшсо-ван! вторинн! струми ТС, що дослвджуеться, та вдеально-го ТС (1-й вим!рювальний канал), кутов! похибки ТС, що дослвджуеться (2-й вим!рювальний канал) та його стру-мов! похибки (3-й вим!рювальний канал) у в1дсотковому значенн!.
В усталеному режим! КЗ, як показано на рис. 8, кутов! та струмов! похибки ТС зростають пропорцшно зб!льшенню кратност! первинного струму.
В перехвдному режим! КЗ, як показано на рис.9, кутов! та струмов! похибки ТС, що дослвджуеться, досяга-ють максимальних значень в початковий момент виник-нення КЗ, перевищуючи при цьому 60%, та поступово зменшуються разом !з затуханням апер!одично! складо-во! первинного струму.
При однофазному кидку струму намагн!чування силового трансформатора, як це наведено на рис. 10, зат-знення фази струму ТС, що дослвджуеться, по ввдношен-ню до фази струму вдеального ТС е незначним, тому кутов! похибки, як наслвдок, не перевищують 5%, у той час як струмов! похибки е значно бшьшими та досяга-ють близько 50%, що обумовлено глибоким насиченням магн!топроводу ТС, що дослвджуеться, при трансфор-мац!! однополярного струму у вторинну обмотку.
Рисунок 8 - Осцилограма процесу дослiджеиия похибок ТС в усталеному режимi КЗ при кратност! струму КЗ у
межах Ккр = (10 + 40)
При номшальному завантаженш вторинного кола ТС (г2=50 Ом) та номшальнш крaтностi первинного струму КЗ (К =20), як це показано на рис. 11, його струмова похибка не перевищуе допустимих 10%, що вщповщае вимогам [2, 6], чим шдгверджуеться той факт, що дослвд-жуваний ТС за даного режиму працюе у заданому клaсi точносп (у межах 10% похибки).
Перевищення допустимого завантаження вторинного кола ТС призводить до Г! збшьшення та виходу за межi
нормованих значень. При цьому зростання значень як стру-мово!, так i кутово! похибок ТС вiдбувaегься пропорцшно збiльшенню величини вторинного наван1аження, що перш за все пояснюеться насиченням мaгнiтопроводу ТС та збiльшенням його струму намагшчування.
На рис. 12 приведет осцилограми струму небалансу (струму намагшчування ТС, що дослвджуеться) за рiзних режимiв роботи ЕМ та рiзноí величини завантаження вторинного кола ТС в усталеному режимi КЗ.
Рисунок 9 - Осцилограма процесу дослщження похибок ТС в переходному режимi КЗ при крaгносгi струму КЗ у
межах Ккр = (10 + 40)
Рисунок 10 - Осцилограма процесу дослщження похибок ТС в режимi однофазного кидку струму нaмaгнiчувaння трансформатора при кратност струму у межах Ккр = (5 + 8)
Рисунок 11 - Осцилограма процесу дослщження похибок ТС в усталеному режимi КЗ при номшальнш кратност первинного струму та перевищеннi допустимого завантаження вторинного кола ТС
а) усталений режим КЗ
б) перех^дний режим КЗ
в) кидок струму намагтчування силового трансформатора
г) усталений режим КЗ при перевищент допустимого вторинного навантаження ТС Рисунок 12 - Осцилограми струму небалансу ТС за рiзних режимш роботи ЕМ та завантаження його вторинного кола
На рис. 13 та рис. 14 привeдeнi кривО зaлeжнoстi змши стрyмoвиx A I та кутов^ S. пoxибoк ТС, щo дoслiджyегь-ся, в1д змiни знaчeнь пaрaмeтрiв йoгo пeрвиннoгo та вто-риннoгo кoлa вiдпoвiднo. За нaвeдeними кривими мoж-на зрoбити виснoвoк, щo стрyмoвi пoxибки в yстaлeниx та пeрexiдниx рeжимax ЕМ змшюються в знaчнo бiльшo-му стужт шж кyтoвi пoxибки. Нaйбiльшиx за aбсoлют-нoю вeличинoю знaчeнь стрyмoвi та кyтoвi пoxибки дo-сягaтимyть y пeрexiдниx рeжимax КЗ з максимальюю за вeличинoю aпeрioдичнoю склaдoвoю пeрвиннoгo струму та тривалим чaсoм ïï зaтyxaння. За цж yмoв, в зaлeж-
нoстi вод вeличини крaтнoстi пeрвиннoгo струму КЗ, зна-чeння стрyмoвoï та кyтoвoï пoxибки ТС у пoчaткoвий мoмeнт виникнeння КЗ мoжyть пeрeвищyвaти 60%, щo пiдтвeрджyегься кривими A I та S на рис. 13, прoтe ра-зoм Оз зaтyxaнням пeрexiднoгo прoцeсy КЗ вóдбyвaтимeть-ся рОзга змeншeння кyтoвиx пoxибoк ТС, як да нaвeдeнo на рис. 15, у той час як змeншeння стрyмoвиx пoxибoк вщбуваеться набагато пoвiльнiшe. В yстaлeнoмy рeжимi КЗ та при oднoфaзнoмy кидку струму намагшчування силoвoгo трaнсфoрмaтoрa стрyмoвi toxhörh ТС в дeк-Олька разОв мoжyть пeрeвищyвaти йoгo кyтoвi roxHÖRH, щo пiдтвeрджyеться кривими A I S , A I3, S , A I4, S .
Д1, 5i,% ■ м: / -
Д13 / \ Si
Mi
5i3 Sil
•"■"I 1 Ккр. в.о. ---1
Рисyнoк 13 - КривО зaлeжнoстi змши стрyмoвиx та кутов^ пoxибoк ТС, щo дoслiджyеться, ввд змши знaчeнь пaрaмeтрiв Ëoro пeрвиннoгo кoлa в yстaлeнoмy (AI1, S.1), пeрexiднoмy (AI2, S.2) рeжимax КЗ та в рeжимi oднoфaзнoгo кидка струму
намагшчування силoвoгo трaнсфoрмaтoрa (AI3, S.3).
40
30
20
10
AI.ói %
Д14
Si4 / _-
z2 z2h
100 150 200
Рисушк 14 - КривО зaлeжнoстi змши стрyмoвиx AI та кyтoвиx S пoxибoк ТС, щo дoслiджyеться, вОд змши вeличини зaвaнтaжeння йoгo втoриннoгo кoлa в yстaлeнoмy рeжимi КЗ за шм^ль^! крaтнoстi струму КЗ
68
ISSN 1607-6761. Елeкгрoтexнiкa та eлeктрoeнeргeтикa. 2016. N° 2
6. ВИСНОВКИ
У стати авторами було проведено дослвдження змши струмових та кутових похибок ТС, що призначений для живлення струмових кш РЗ, в усталеному та перехвдно-му режимах КЗ, в режим! однофазного кидку струму намагн1чування силового трансформатора, пвдключено-го до ЕМ, та в усталеному режим! КЗ з номшальною кратшстю первинного струму та перевищенш допустимого вторинного завантаження ТС. Розроблена авторами методика може бути застосована для проведення дос-лвдження роботи релейних кершв ТС, для яких е характерною 10-ти ввдсоткова гранична повна похибка транс-формацп струму, незалежно ввд номшально! потужносп та виду криво! ВАХ останшх. Для дослвдження вим!рю-вальних малопотужних кершв ТС, що мають б!льш висок! класи точност!, розроблена методика не може бути використана, оскшьки останш призначен! для функцю-нування п!дключених до них вим!рювальних пристро!в та пристро!в обл!ку лише за нормальних режим!в ЕМ, у той час як пристро! РЗ, шдключеш до релейних керн!в ТС, працюють лише за виникнення авар!йних умов.
Для дослвдження був обраний сучасний ТС з елегазо-вою !золящею типу ТОГ-170-П-1 У1. Досл!дження проводилось шляхом застосування модел! ТС, що дослвд-жуеться, та модел! идеального ТС з однаковими техшчни-ми характеристиками та параметрами вторинного кола. Авторами були визначен! струмов! та кутов! похибки ТС, що дослвджуеться, за р!зних режим!в ЕМ та завантаження його вторинного кола, було встановлено той факт, що кутов! похибки ТС в усталених та перехвдних режимах ЕМ змшюються в значно меншому ступеш, нгж його струмов! похибки, шдтвердженням чому е приведен! на рис. 13 та рис. 14 крив!. В перехвдному режим! КЗ, за максимального значения аперюдично! складово! первинного струму та тривалого часу !! затухання, кутов! по-
хибки, подiбно до струмових похибок, можуть досягати достатньо високих значень в початковий момент виникнення КЗ (крива д на рис. 13), проте динамiка !х змiни характеризуеться швидким зменшенням !хнiх значень разом iз затуханням перехвдного процесу, про що сввдчать наведенi на рис. 15 кривг
Результати проведеного авторами дослвдження можуть бути використат при виборi та експлуатацi! ТС та !х струмових кш, при визначенш оптимальних режимiв !х роботи за умови забезпечення в аваршних режимах нор-мованих похибок ТС, призначених для живлення при-стро!в РЗ, а також можуть бути взятi за основу при ство-реннi пристро!в захисту, що за сво!м принципом дп реа-гують на фазш спiввiдношення мiж вторинними струмами рiзних ТС, до струмових кш яких подключено захист. Зокрема, до таких титв РЗ належить диференцшно-фаз-ний захист (ДФЗ), що на сьогодтшнш день застосовуеть-ся на повпряних лiнiях електропередачi напругою 110750 кВ та у перспективi може бути використаний для забезпечення захисту шших елеменпв електричних станц1й та мереж (збiрнi шини, генератори, трансформатори i т.д.) ввд вс!х видiв пошкоджень з абсолютною селективш-стю i достатньо високою швидкодаею, [10].
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Афанасьев В. В. Трансформаторы тока / В. В. Афанасьев, Н. М. Адоньев, В. М. Кибель, И. М. Сирота, Б. С. Стогний - Л : Энергоатомиздат, 1989. - 416 с.
2. Трансформатори вимiрювальнi. Частина 1. Трансформатори струму (IEC 60044-1:2003, IDT) : ДСТУ IEC 60044-1:2008. — [Чинний ввд 2010-01-01]. — К. : Держспоживстандарт Укра!ни, 2010. — 38 с. — (На-цюнальний стандарт Укра!ни).
3. Armando Guzmаn (2011), «Improvements in Transformer Protection and Control», SEL Journal of Reliable Power : Vol. 2, pp. 1-17 (Eng).
ц 5i 1 т
С. ч
n(t)
**
* t,c —
Рисунок 15 - ^mi динамжи змши струмових AI(t) та кутових S.(t) похибок ТС, що дослщжуеться, в переходному режимi КЗ
4. Michael Thompson (2001), «Secure Application of Transformer Differential Relays for Bus Protection», ELECSAR Engineering and Schweitzer Engineering Laboratories : Vol. 14, pp. 75-93 (Eng).
5. S. E. Zocholl (2012), «Current Transformer Concepts», Journal of Reliable Power : Vol. 5, pp. 31-55 (Eng).
6. Правила устройства электроустановок: Глава 3.2. Релейная защита / Минэнерго Украины. - 7-е изд., пе-рераб. и доп. - Х: Форт, 2009. - 704 с.
7. Техтчна експлуатащя електричних станщй та мереж. Правила / Мшпаливенерго Украши. Кшв : НТУКЦ, 2003. - 597 с.
8. Федосеев А. М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей: учебное пособие для вузов / А. М. Федосеев. - М: Энергоато-миздат, 1984. - 520 с.
9. Кужеков С. Л. Защита шин электростанций и подстанций / С. Л. Кужеков, В. Я. Синельников. - М: Энергоатомиздат, 1983. - 184 с.
10. Ниценко В. В. Перспективы использования диффе-ренциыально-фазного принципа для защиты систем сборных шин распределительных устройств 110-750 кВ / Ниценко В. В., Кулагин Д. А. // Електромехатчш i енергозберцакш системи. Щоквартальний науко-во-виробничий журнал. - Кременчук: КрНУ 2015. -Вип. 3/2015 (31). - С. 158-166.
11. Байков А.И. Математические модели трансформаторов при анализе силовой части электроприводов / Байков А.И. // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.
- Нижний Новгород: НГТУ 2013. - Вип. 5/2013 (102).
- С. 316-327.
12. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения / В. А. Андреев. - М.: Высш. шк., 2006. - 639 с.
Ниценко В. В.1, Кулагин Д. А.2, Махлин П. В.3
1Инженер оперативно-расчетной службы релейной защиты и противоаварийной автоматики ГП «НЭК «Укрэнерго» Днепровская ЭС, Запорожье, Украина
2Канд. техн. наук, професор каф. «Электроснабжение промышленных предприятий», ЗНТУ, Запорожье, Украина
3Канд. техн. наук, доцент каф. «Электроснабжение промышленных предприятий», ЗНТУ, Запорожье, Украина ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА В СИСТЕМАХ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ В УСТАНОВИВШИХСЯ И ПЕРЕХОД НЫХ РЕЖИМАХ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ
Цель работы. Определение максимальных значений токовых и угловых погрешностей трансформаторов тока и характера их изменения в установившихся и переходных режимах энергосистемы, при которых возможен выход их погрешностей за пределы диапазона нормируемых значений, а также сравнение степени изменения токовых и угловых погрешностей трансформаторов тока, предназначенных для питания вторичных цепей устройств релейной защиты в этих режимах.
Методы исследований. Исследование проведено путем использования метода имитационного моделирования и визуализации на ЭВМ функционирования трансформатора тока, предназначенного для питания вторичных цепей устройств релейной защиты, в установившихся и переходных режимах энергосистемы и при разныхусловиях его эксплуатации.
Полученные результаты Авторами были определены в процентном соотношении максимальные токовые и угловые погрешности трансформации первичного тока во вторичную цепь трансформатора тока, которые обусловлены наличием тока намагничивания и активных потерь в магнитной системе исследуемого трансформатора тока, выполнено их сравнение, а также сделаны выводы относительно их изменения в установившихся и переходных режимах, в частности, установлен тот факт, что токовые погрешности в аварийных режимах изменяются в значительно большей степени, чем угловые и при определенных условиях могут выходить за пределы нормированных государственными стандартами значений.
Научная новизна. Авторами был разработан современный метод исследования токовых и угловых погрешностей трансформаторов тока, предназначенных для питания вторичных цепей устройств релейной защиты, основанный на использовании компьютерной модели идеального трансформатора тока с линейной безги-стерезисной кривой намагничивания, которая имеет схожие характеристики и параметры первичной и вторичной цепи с исследуемым реальным трансформатором тока.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при определении оптимальных условий эксплуатации трансформаторов тока и разработке новых принципов выполнения измерительных и логических органов устройств релейной защиты элементов электрических станций и сетей, в частности, был сделан вывод о том, что для обеспечения более чувствительной и селективной защиты могут быть использованы устройства , которые по принципу своего действия реагируют только лишь на фазные соотношения между токами трансформаторов тока присоединений и должны быть отстроены только от угловых погрешностей измерений.
Ключевые слова: трансформатор тока, токовая погрешность, угловая погрешность, релейная защита, аварийный режим
Nitsenko V. V.1, Kulagin D. O.2, Makhlin P. V.3
'Engineer of operative and settlement service of relay protection and emergency automatic systems GP «NEC «Ukrenergo» Dniprovska ES, Zaporozhye, Ukraine
2Ph.D., professor The Department «Power Supply of industrial enterprises», ZNTU, Zaporozhye, Ukraine
3Ph.D., assistant professor The Department «Power Supply of industrial enterprises», ZNTU, Zaporozhye, Ukraine
INVESTIGATION OF ERRORS OF CURRENT TRANSFORMERS IN THE PROTECTION SYSTEMS IN STEADY AND TRANSIENT CONDITIONS OF ENERGY SYSTEM
Purpose. The main idea of the paper is investigation of the maximum values ofcurrent and angle errors of the current transformers and the nature oftheir changes in steady-state and transient power system conditions in which the possible output of errors beyond the normalized range ofvalues, as well as a comparison of the degree of change of current and angle errors of the current transformers for power supply auxiliary wiring devices of relaying protection in these conditions.
Research methods. The authors used the method of simulation and visualization of the current transformer operation of computers, intendedfor supply ofsecondary circuits of relay protection devices in steady and transient conditions of supply power system and different operating modes.
The obtained results. The authors defined the percentage of the maximum current and angular error of the primary current transformation to the secondary circuit of the current transformer which are caused by the presence of the magnetizing current and resistive losses in the magnetic system of the test current transformer; their comparison is performed and conclusions are drawn regarding their changes in steady-state and transient conditions, in particular, the fact is established that the current errors in emergency conditions vary to a much greater extent than the angular and under certain conditions may extend beyond the value of the normalized state standards.
Scientific novelty. The authors developed the modern method of investigation of current and angle errors of the current transformers for auxiliary supply of relay protection devices based on the use of a computer model of an ideal current transformer with a linear no hysteresis B-H curve, which has similar characteristics and primary and secondary circuit parameters to study the real transformer current.
Practical significance. The results can be used in researching the optimum operating current transformers conditions and the development of new principles ofperform measurement and logical circuits ofrelaying protection, in particular, it was concluded that in order to provide the more sensitive and selective protection we can use the devices based on the principle of their action to respond only to the phase relation between the currents of the current transformers and connections that have to be rebuilt only from the angle measurement errors.
Keywords: current transformers, current error, angular error, relay protection, emergency condition.
REFERENCES
1. Aphanasiev V. V., Adoniev V. M, Kibel I. M., Sirota I. M., Stogniy B. S. Transformatori toka, Energoatomizdat, Leningrad, 1989, 416 p.
2. Transformatori vimhyuvalni. Chastina 1. Transformatori strumu (IEC 60044-1:2003, IDT) : DSTU IEC 60044-1:2008 [Instrumental transformers. Chapter 1. Current transformers (IEC 60044-1:2003, IDT) : DSTU IEC 600441:2008], (2010), Derzhspozhivstandart Ukraini, Kiiv, Ukraine.
3. Armando Guzman. Improvements in Transformer Protection and Control, SEL Journal of Reliable Power, Vol. 2, 2011, pp. 1-17
4. Michael Thompson. Secure Application of Transformer Differential Relays for Bus Protection, ELECSAR Engineering and Schweitzer Engineering Laboratories, Vol. 14, 2001, pp. 75-93.
5. Zocholl S. E. Current Transformer Concepts, Journal ofReliable Power, Vol. 5, 2012. pp. 31-55.
6. Pravila ustroystva electroustanovok. Glava 3.2. Releynaya zachita, Fort, Kharkov, Ukraine, 2009.
7. Tehnichna ekspluatatsiya elektrichnih stantsiy ta merezh. Pravila, NTUKTS, Kiiv, Ukraine, 2003.
8. Fedoseyev A. M. Releynaya zachita electroenergeticheskih sistem. Releynaya zachita setey, Energoatomizdat, Moscow, 1984, 520 p.
9. Kuzhekov S. L., Sinelnikov V. Y. Zachita shin electrostantsiy i podstantsiy, Energoatomizdat, Moscow, 1983, 184 p.
10. Nicenko V V, Kulagin D. O. Prospects differential-phase principle to procect busbar system swichgears 110-750 kV, Electromehanicheskie i energosberigaushie sistemi, 2015, Vol. 3, pp. 158-166.
11. Baikov A. I., Mathematical models of transformers in the analysis of the electric power, Trudi Nizhegorodskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2013, Vol. 5, pp. 316-327.
12. Andreev V A. Releynaya zaschita i avtomatika sistem elektrosnabzheniya, Visshaya shkola, Moscow, Russia. 2006, 639 p.
