Курсоваяработа
на тему:
«Пассивныелинейные измерительные преобразователи синусоидальных напряжений и токов»
1. Первичныеизмерительные преобразователи тока
Кизмерительным органам воздействующая величина — ток — обычно подводится от первичных измерительных преобразователей тока. Ониобеспечивают изоляцию цепей тока измерительных органов от высокого напряжения ипозволяют независимо от номинального первичного тока получить стандартноезначение вторичного тока. Наиболее распространенными первичнымипреобразователями тока являются измерительные трансформаторы тока ТА. В системахэлектроснабжения применяют также измерительные преобразователи тока, названныемагнитными трансформаторами тока. На их основе разработаны так называемыедискретные трансформаторы тока.
Измерительные трансформаторы тока. Ониимеют стандартный номинальный вторичный ток lном = 1; 5 А при любых значенияхноминального первичного тока lном; допускаетсяизготовление трансформаторов тока с номинальным вторичным током l2иом= 2; 2,5 А. Трансформаторы тока используют и в сетях напряжением до 1 кВ.
Дляправильного действия особенно релейной защиты требуется точная работатрансформаторов тока при токах перегрузки электроустановки и токах КЗ, которыево много раз могут превышать их номинальные первичные токи, особенно в сетяхнапряжением до 1 кВ.Правильная работа быстродействующих устройств защиты и автоматики должнаобеспечиться при переходных процессах в трансформаторах тока. Особенностьюизмерительных трансформаторов тока является режим короткого замыкания еговторичной цепи. Первичная обмотка трансформатора ТА с числом витков w, включается в цепь первичного тока L, сети, а ко вторичной обмотке с числомвитков >2 подключаются цепи тока измерительных органов, напримеризмерительных реле тока КА1,КА2 с относительно малым сопротивлением. Начала и концы обмотоктрансформатора тока указываются на их выводах. Выводы первичной обмотки Лх и Л2, маркируются произвольно,а выводы вторичной обмотки — с учетом принятого обозначения выводов первичнойобмотки. При этом за начало вторичной обмотки Я, принимается вывод, из которогомгновенный ток l2 направляется в цепьнагрузки, когда в первичной обмотке ток /, направлен от начала Лх к концу Л2. При такой маркировкемгновенное значение тока в обмотке реле имеет то же направление, что и привключении его непосредственно в защищаемую цепь.
Нарис. 1, опоказаны направления токов /,, /2 для некоторого момента времени ипринятой намотки витков. Направление магнитного потока Ф, при заданномнаправлении тока /, определяется по правилу буравчика.
/>
Токi2 всегданаправлен так, что размагничивает магнитопровод. При этом результирующиймагнитный поток Ф, согласно закону полного тока, создается совместным действиеммагнитодвижущих сил и i2w2 обеихобмоток. Соотношение синусоидальных токов изображается обычно векторнойдиаграммой. Векторная диаграмма может быть изображена и имеет определенныйсмысл только при условии, что для каждой из величин выбрано условноеположительное направление. Так, из диаграммы следует, что ток l2отстает по фазе от тока l',на угол у. Этоозначает, что ток i2 достигает,например, положительного максимального мгновенного значения позже, чем ток ц на время/>Однако указанный моментвремени становится неопределенным, если неизвестно, какое из двух возможныхнаправлений тока l2 считается положительным.Если для одного положительного направления ток h отстает по фазе от тока l', на угол/>,для другого направления тока l2 угол сдвига фаз равен />. Поэтому при построениивекторной диаграммы первичного и вторичного токов трансформатора тока ТА необходимо задаться ихусловными положительными направлениями. Если для первичного тока l, принять положительное направление отначала к концу обмотки, а для вторичного l2 — от конца к началуобмотки, как показано стрелками на рис. 1, о,то векторы МДС первичной и вторичной обмоток оказываются направленнымипротивоположно. При этом, согласно закону полного тока,
РезультирующаяМДС Епш создаетсячастью тока /,, которая называется токомнамагничивания, т. е./>
Видеальном трансформатЪре результирующая МДС £иам = 0. При этом
/>
/>
или
/>
Токи12 иL1 равны и совпадают пофазе. Если положительное направление токов /, и /2 принято от началаобмоток к их концам, то МДС обеих обмоток направлены одинаково; а токи /2и /', изображаются векторами, сдвинутыми по фазе на угол л. В дальнейшем припостроении векторных диаграмм условное положительное направление тока /,принимается от начала к концу обмотки, а тока /2 — от конца.кначалу. Для реального трансформатора и принятых условных положительныхнаправлениях токов />, откуда/>или
/>
Этомусоответствует электрическая схема замещения трансформатора тока. Здесь ко вторичнойобмотке приведены также сопротивления первичной обмотки Z\ иветви намагничивания Z'HaM. Эта схема принципиальноне отличается от схемы замещения, например, силового трансформатора. В отличиеот него трансформатор тока питается от источника тока. Поэтому первичный ток /,и МДС не зависят от режима работы трансформатора тока.
Изсхемы замещения видно, что сопротивление первичной обмотки Z\ невлияет на распределение тока между ветвью намагничивания Z'H2Mи ветвью нагрузки, поэтому из схемы, изображенной на рис. 1.2, б, в соответствии с которойпостроена векторная диаграмма, оноисключено.
Заисходный при построении диаграммы принят ток намагничивания 1'^. Магнитный поток Ф отстаетот тока на некоторый угол у, определяемыйпотерями в стали. Положительное направление ЭДС £2 принятосовпадающим с положительным направлением тока £2, т. е. отконца к началу вторичной обмотки. В связи с этим ЭДС Е2> наводимая потоком Ф_ вовторичной обмотке, опережает его на угол л/2.
/>
В замкнутой вторичной обмотке проходит ток ^, отстающий от ЭДС£2на некоторый угол, определяемый соотношениемсоставляющих RujX сопротивлений Z2и ZH.
По схеме замещения и выражению определяют ток 1\. Из векторной диаграммывидно, что вторичный ток /2 отличается от приведенного первично-' го/| по значению на Д/ и по фазе на угол 8. Ток1'иш значительноменьше тока 1\, поэтомурезультирующая МДС FKiM, определяющая рабочиймагнитный Поток ф_ и ЭДС £2, во много раз меньше МДС первичнойобмотки Очевидно, что чем меньше сопротивление нагрузки ZH, т. е. чем ближе режимцепи вторичной обмотки к режиму короткого замыкания, тем большая часть тока /.
2. Первичные измерительные преобразователи напряжения
Кизмерительным органам воздействующая величина — напряжение — обычно подводитсяот первичных измерительныхпреобразователей напряжения. Они, как и первичныеизмерительные преобразователи тока, обеспечивают изоляцию цепей напряженияизмерительных органов от высокого напряжения и позволяют независимо отноминального первичного напряжения получить стандартное значение номинальноговторичного напряжения U2n0M = 100 В. Распространеннойразновидностью первичного измерительного преобразователя напряжения являетсяизмерительный трансформатор напряжения ТУ.
Особенностьюизмерительного трансформатора напряжения является режим холостого хода еговторичной цепи. Первичнаяобмотка трансформатора ТУ с числомвитков щ включаетсяна напряжение сети М\- Поддействием напряжения по обмотке w,проходит ток намагничивания /„щ, создающий в магнитопроводе магнитный поток Ф.Магнитный поток, в свою очередь, наводит в первичной w, и вторичной w2 обмотках ЭДС сдействующими значениями соответственно £, = 4,44/w, Ф, Е2= 4,44/й'2Ф. Отсюда />
/>
Отношениеназывается коэффициентом трансформации иобозначается Ки. Врежиме холостого хода ток /2 = 0, а ток в первичной обмотке L\ — £«м-При этом £/> = Е2и напряжение £/, незначительно отличается от ЭДС£,.
Поэтому
/>
Работатрансформатора с нагрузкой ZHсопровождается прохождением тока 12и увеличением тока /',. Этитоки создают падение напряжения AU впервичной и вторичной обмотках, вследствие чего U2 = U\ — AU. Из векторной диаграммыследует, что вторичное напряжение U2 отличается отприведенного первичного Щ_хпо значению на AU и по фазе на угол" 8. Поэтому трансформаторимеет две погрешности: погрешность напряжения fv= • 100 или вследствиенезначительного угла 8
/>
—угловую погрешность, которая определяется углом 8 между векторами напряжений.Вместе с ним возрастают и погрешности, поэтому нормальным режимом работытрансформатора напряжения является режим, близкий к холостому ходу.
В условиях эксплуатации трансформатор напряжения может работать сразличными погрешностями. В зависимости от погрешностей по ГОСТ 1983 — 77Еустановлены четыре класса точности: 0,2; 0,5; 1 и 3 соответственно погрешностямнапряжения fv в процентах. Номинальнаямощность трансформатора отнесена к определенному классу точности. Однако поусловию нагрева он может допускать перегрузки в несколько раз, выходя при этомиз заданного класса точности. Начала и концы обмоток трансформатора напряжения TV маркируются в соответствии с правилом, изложеннымпри рассмотрении трансформаторов тока. При этом напряжения t/, и U2, направленные одинаково отодноименных концов обмоток, совпадаютпо фазе, если пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформаторанапряжения. Принято обозначать: А —начало первичной обмотки, а —начало вторичной обмотки; X — конецпервичной обмотки, х —конец вторичной обмотки. Для трансформаторов напряжения, как и длятрансформаторов тока, в зависимости от принятого положительного направлениятока и напряжения можно построить векторные диаграммы с совпадающими илипротивоположно направленными векторами вторичного. Первичная обмоткатрансформатора включается на напряжение двух любых фаз. Такая схема применяетсяв тех случаях, когда достаточно иметь одно междуфазное напряжение, напримернапряжение Мвс-
Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в открытыйтреугольник. Первичныеобмотки двух однофазных трансформаторов напряжения включаются на два любыхмеждуфазных напряжения. Вторичные обмотки соединяются последовательно. Такаясхема дает возможность включать реле на все междуфазные напряжения и нанапряжения фаз по отношению к искусственной нейтральной точке системымеждуфазных напряжений. В последнем случае включение можно выполнить тремяреле, обмотки которых имеют равные сопротивления и соединены в звезду. Схема соединения двуходнофазных трансформаторов в открытый треугольник является наиболеераспространенной. Она не может применяться в тех случаях, когда необходимоиметь фазные напряжения относительно земли.
Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в звезду, как и рассмотренная схемасоединения обмоток в открытый треугольник, дает возможность включать реле налюбые междуфазные напряжения и на напряжения фаз относительно искусственнойнейтральной точки системы междуфазных напряжений, а также по отношению кземле, т. е. на любые фазные напряжения.
Рассматриваемую схему можно выполнить посредством трех однофазныхтрансформаторов напряжения или одного трехфазного пятистержневого. Применениетрехфазных трехстержневых трансформаторов напряжения в данном случае недопускается в связи с тем, что при замыкании на землю в сети по первичнымобмоткам трансформатора через его заземленную нейтраль проходят большие токинамагничивания нулевой последовательности и трансформатор сильно перегревается.
Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в фильтрнапряжения нулевой последовательности. Напряженияотдельных последовательностей можно выделить из полных фазных напряженийпосредством фильтров напряжений симметричных составляющих. Так, для получениянапряжения нулевой последовательности Uq первичные обмоткитрансформаторов должны соединяться в звезду с заземленной нейтралью. Полученныепри этом вторичные фазные напряжения суммируются путем соединения вторичныхобмоток в разомкнутый треугольник, к которомуподключается реле.
/>
Напряжение на обмотке реле
/>
При отсутствии в полных фазных напряжениях составляющих нулевойпоследовательности напряжение на выходе разомкнутого треугольника близко кнулю. В связи с погрешностью трансформаторов напряжения, наличием в первичныхнапряжениях гармонических, кратных трем и по другим причинам на зажимахразомкнутого треугольника в нормальном режиме возникает напряжение небаланса, котороеобычно не превышает £/н6 = 3...4 В. Опыт эксплуатациисвидетельствует, что трансформаторы напряжения с заземленной первичной обмоткойв сетях с изолированной нейтралью при замыканиях на землю часто повреждаются.Причинами повреждений являются феррорезонансные явления, вследствие которыхчерез обмотки высшего напряжения трансформатора проходят токи, многократнопревышающие номинальные значения. Поэтому сам трансформатор напряжениянуждается в защите.
Обычно трансформаторы напряжения изготовляют с двумя вторичнымиобмотками, одну из которых можно использовать в схеме соединения звезды, адругую — разомкнутого треугольника. Всистемах с заземленной нейтралью напряжение на зажимах разомкнутоготреугольника при замыкании на землю не превышает фазного Щ, ав системах с изолированной нейтралью оно может достигать ЪЩ, поэтомуноминальное вторичное фазное напряжение обмоток, соединяемых в разомкнутыйтреугольник, принимается равным UlmM — 100В, если трансформатор устанавливается в системе с заземленной нейтралью, и равнымUlmu = 100/3 В, еслитрансформатор устанавливается в системе с изолированной или заземленной черездугогасящий реактор нейтралью.
Выполнение вторичных цепей трансформаторовнапряжения и контроль за их состоянием. Исходя из требованийтехники безопасности вторичные обмотки трансформаторов напряжения в установкахнапряжением 500 В и выше должны обязательно заземляться. Предохранители спервичной стороны трансформаторов напряжения не защищают их от перегрузок икоротких замыканий в их вторичных цепях. Поэтому все незаземленные провода,подключаемые к вторичным обмоткам трансформаторов напряжения, соединяются сними через низковольтные плавкие предохранители или малогабаритныеавтоматические выключатели, которые являются.более быстродействующими; онинадежнее и удобнее предохранителей. Перегорание предохранителей илисрабатывание автоматических выключателей и возможные обрывы в цепях напряжениямогут повлечь за собой неправильное действие некоторых устройств зашиты иавтоматики. Поэтому они должны снабжаться специальными устройствами,автоматически выводящими их из действия при нарушениях целей напряжения. В техслучаях, когда указанные нарушения непосредственно не приводят к неправильнойработе устройств защиты и автоматики, достаточна сигнализация об исчезновениинапряжения..
3. Реакторы и трансреакторы
Реактор LR состоитиз обмотки w и ферромагнитногомагнито-про-вода. Ферромагнитныематериалы, из которых выполняют магнитопровод реактора, имеют нелинейнуюхарактеристику намагничивания B=f, чтообусловливает уменьшение их магнитной проницаемости ц. с увеличениемнапряженности магнитного поля Н. Индуктивноесопротивление реактора XL пропорционально магнитнойпроницаемости и, поэтому оно изменяется с изменением тока в обмотке реактора.
/>
Дляуменьшения этой зависимости и обеспечения относительного постоянствасопротивления магнитопровод реактора выполняется разомкнутым. Вместе с тем вряде устройств, например в магнитных усилителях, используют так назы ваемыеуправляемые реакторы, сопротивление которых путем соответствующего управленияизменяют в требуемых пределах. Для этой цели на замкнутом магнитрпроводереактора кроме основной обмотки предусмотрена обмотка управления wy, по которой проходитпостоянный ток управления /у. Путем изменения этого тока изменяютмагнитное состояние магнитопровода, его магнитную проницаемость и тем самымсопротивление XL.
Однаконеобходимо иметь в виду, что характеристики намагничивания ферромагнитныхматериалов, используемых в управляемых реакторах, имеют выраженныйпрямоугольный характер. С некоторым допущением их можно представитьхарактеристикой, изображенной на рис. 5, г. Приэтом магнитопровод имеет два состояния: ненасыщенное и насыщенное. В первомслучае ц и XL бесконечно велики, а вовтором равны нулю. Следовательно, процесс управления не сопровождаетсянепрерывным изменением индуктивного сопротивления. Действительный характерявления подробно рассмотрен в.
Визмерительных органах часто ток преобразуется в напряжение путем включения вцепь тока балластных резисторов, реакторов, иногда конденсаторов. Однако в цепитока можно включать лишь относительно малые сопротивления. Соответственнополучаются низкие напряжения, для повышения которых необходим трансреактор.
Трансреактор ТИК выполняетфункции реактора и трансформатора, преобразующих ток в напряжение. Он состоитиз обмотки w{ тока,разомкнутого магнитопровода и вторичной обмотки щ, находящейся в ре-жиме,близком к холостому ходу. Поэтомуток /. Он состоит из двух обычных магнитныхусилителей, управляемых общим током /у. Обмотки смещения wm включаются так, чтохарактеристика одного магнитного усилителя АЫ смещается в сторонуотрицательных значений /у, а другого AL2 —в сторону положительных значений. Приэтом в случае /у = 0 наблюдается равенство выходных токов магнитныхусилите лей /н1 = /н2.
/>
Если нагрузка ZHвключена на разность токов, то с изменением полярности тока управления /уизменяется фаза и тока нагрузки /н.
5. Насыщающиеся трансформаторы тока
Вдифференциальной токовой защите для улучшения ее характеристик при переходныхпроцессах применяются насыщающиесятрансформаторы тока. На основе НТТ выполняютизмерительные реле двух разновидностей: с насыщающимися трансформаторами тока ис магнитным торможением. При внешних коротких замыканиях и при включениях,например, силовых трансформаторов возникает переходный процесс. Как в том, таки в другом случае защита действовать не должна. Однако ток переходного процессавоздействует на дифференциальную защиту. В начальный момент он обычно содержитапериодическую слагающую. Она и используется для обеспечения недействия защиты,имеющей НТТ.
Насыщающийсятрансформатор тока TLAT содержит трехстержне-войферромагнитный сердечник. Воздействующаявеличина поступает в первичную обмотку wu ак вторичной w2 подключаетсяизмерительное максимальное реле тока КА. Характеристика/р =J{Ii) насыщающегосятрансформатора зависит от характера изменения тока /,. Если ток /,синусоидальный, то магнитная индукция в сердечнике изменяется в широкихпределах — Bmin
Указанномуизменению индукции пропорционально среднее значение ЭДС вторичной обмотки и ток/р в реле. В этом случае НТТ действует как обычный трансформатортока.
Апериодическаяслагающая изменяет режим работы НТТ, она насыщает его магнитопровод. На рис.10, б показан случай, когда ток /бр из-за апериодической слагающейполностью смещен относительно оси времени. Прохождение такого тока по обмотке w, НТТ сопровождается изменением индукциитолько в пределах +BS>В> +ВГ.
/>
Поэтомусреднее значение ЭДС вторичной обмотки и ток в реле получаются намногоменьшими, несмотря на то, что ток /6ртах > Imi. Обмотки/>предусмотрены для усилениядействия апериодической слагающей. Они соединены так, что магнитные потокилевого и среднего стержней складываются. Поэтому часть тока обмотки w, попадает в обмотку w2 путем двойнойтрансформации. Таким образом, апериодическая слагающая не трансформируется вобмотку w'K иухудшает трансформацию периодической слагающей. Ток двойной трансформациипоэтому оказывается относительно мал. При отсутствии апериодической слагающейток двойной трансформации возрастает.
Изменятьхарактеристику НТТ можно также путем изменения степени его намагничиваниядополнительным током управления /у. Для этого предусматриваетсяобмотка управления wy. Магнитный поток Фу,обусловленный током /у, замыкается только в крайних стержняхмагнитопровода и намагничивает их. Для исключения влияния на работу реле ЭДС,индуцированных этим потоком в секциях вторичной обмотки w2, секции включены так,чтобы ЭДС вычитались. При этом магнитный поток Ф, от тока в первичной обмоткеиндуцирует в этом контуре ЭДС, действующие согласно и обусловливающие ток вобмотке реле. Таким образом, в НТТ существует трансформаторная связь толькомежду обмотками w, и w2, зависящая от степенинамагничивания магнитопровода, т. е. от тока /у. С увеличением тока/у, например от /у1 до /у3, степеньнамагничивания увеличивается и для получения одного и того же вторичного тока /р,необходимо увеличивать ток /, соответственно от/>до/>Зависимость/>называется тормозной характеристикой, аобмотка управления — тормознойобмоткой.
/>
6. Фазоповоротные и частотно-зависимые схемы
Фазоповоротные схемы. Спомощью фазоповоротных схем производят линейные преобразования напряжения внапряжение. При этом напряжение на выходе схемы смещается по фазе относительнонапряжения на ее входе на некоторый угол а. В процессе преобразования можетизмениться и значение величины.
Однаиз фазоповоротных схем показана на рис. 12, о. Схема содержит две одинаковыерезисторно-конденсаторные цепи, соединенные параллельно, к которым подводитсянапряжение Uv Преобразованноенапряжение/>измеряют между точками вид.
Электрическая цепь из последовательно соединенных резисторов Rl, R2 иконденсаторов CI, С2 с сопротивлениями R и Хсдает возможность получать напряжения/>пропорциональныеподведенному напряжению Цино смещенные относительно него по фазе на некоторые углы встороны опережения и отставания, которые определяютсясоотношением R и Хс, а угол между UR и Цс во всех случаях остаетсяравным я/2.
/>
Такимобразом, напряжения Цх,Цк и Цсобразуют прямоугольный треугольник, опирающийся на диаметрокружности — вектор напряжения Hi свершиной, скользящей по дуге окружности при изменении соотношения Я и Хс. На этой основе построенавекторная диаграмма фазоповоротной схемы.
Фазоповоротнаясхема, преобразующая ток /, в ток/>,показана на рис. 12, е. Ее векторная диаграмма не требует пояснений. Изменениеугла а достигается изменением сопротивления резистора Я
Вряде случаев на выходе того или иного элемента необходимо иметь величину вида/>, Если это ток, то дляполучения к21 используютрассмотренную фазоповоротную схему. Преобразовать напряжение в ток можно путемвключения в цепь сопротивления На рис. 13, а показана схема, состоящаяиз двух цепей. На вход одной подается напряжение Л,а на вход другой — ток /. Цепи соединены параллельно, и этимдостигается получение в нагрузке Z„суммарного тока/>. Нарис. 13, б показанасхема для получения величин/>и/>____являющихсянапряжениями. При этом напряжение к2£получено с помощью трансреактора ТАК
Частотно-зависимые схемы. Вряде автоматических устройств используется изменение частоты синусоидальногонапряжения. Составной частью измерительных органов этих устройств являются такназываемые частотно-зависимые схемы. Изменение частош. напряжения на входепреобразуется ими в изменения амплитэдры или фазы напряжения на выходе.
Нарис. 14, а показаначастотно-зависимая схема, преобразующая изменение частоты в изменения фазы. Ееиспользовали, например, для выполнения измерительного реле частоты РЧ-1.
/>
/>
Схемасостоит из частотно-зависимого элемента и делителя напряжения. На вход схемы подаетсянапряжение Ц с изменяющейся частотой. Ток £к,проходящий по цепи делителя, и напряжение Цк совпадаютпо фазе с напряжением JZ. Фазатока в цепи частотно-зависимого элемента относительно напряжения U определяется соотношением сопротивлений Хы и Хс, которые зависят отчастоты. При этом ток LtЈ может опережать,совпадать и отставать по фазе от напряжения Ц. НапряжениеHue совпадает по фазе с токомТаким образом, изменение частоты напряжения Ы. сопровождается изменениемугла , а/>опережает его, если/>
7. Фильтры симметричных составляющих тока и напряжения
Принарушении симметричного режима трехфазной системы, например вследствиенесимметричных коротких замыканий, в полных фазных токах и напряжениях наряду стоком /, и напряжением U\ прямой последовательностипоявляются составляющие обратной последовательности /2, Ы.2 инулевой последовательности /0, Но. Это дает возможность, вчастности, выполнить защиту, реагирующую на появление данных составляющих. Дляих выделения из полных фазных токов и напряжений используют устройства,называемые фильтрами симметричныхсоставляющих.
Фильтртока обратной последовательности.Первичный ток обратной последовательности определяется выражением
/>, где/>— фазные токисоответственно
фазА, В иС;/>— оператор фазы.
Такимобразом, складывая геометрически вторичный ток /„ с повернутыми против часовойстрелки на угол/>током 1Ъ и на угол/>
током/с, из несимметричной системы вторичных фазных токов можно выделитьсоставляющую обратной последовательности. В общем случае при наличиинесимметрии в полных фазных токах содержатся все симметричные составляющие, ана выходе фильтра должен появиться только ток обратной последовательности. Дляупрощения фильтра к нему подводят токи, уже не содержащие составляющих нулевойпоследовательности. Если это фазные токи, то из них предварительно исключаютток нулевой последовательности, т. е. фильтр включают на разности токов,например и. Составляющие нулевой последова-• тельности в фазных токах равны поабсолютному значению и совпадают по фазе, поэтому в разностях фазных токов,, они отсутствуют. Всвязи с этим фильтры тока обратной последовательности включают и на разностифазных токов. Существует множество различных схем фильтров. Один из них —активно-емкостный фильтр, используемый в устройствах полупроводниковых релетока обратной последовательности РТФ-8УХЛ4, РТФ-9УХЛ4, предназначенных длязащиты электрических установок. Фильтр состоит из вторичных измерительныхтрансформаторов тока TLA1 и TLA2. Первичныеобмотки трансформаторов включены на разности токов Ц„ — /0) и — Квторичным обмоткам трансформаторов подключены рези-сторно-конденсаторные цепитак, что токи 1'аи£'сразветвляются между.сопротивлениями резисторов R и конденсаторов С. При этом в цепи тп ток/>. Для получения фильтратока обратной последовательности необходимо сопротивления резисторов R1, R2 иконденсаторов Ха, Хавыбрать так, чтобы при отсутствии в полных фазных токах, аследовательно, и в токах/>токаобратной последовательности ток /„„ отсутствовал.
Этомусоответствует векторная диаграмма токов. Здесь токи прямой последовательности/>, проходящие по цепи тп, равны и имеют противоположныенаправления, поэтому/>При построениивекторной диаграммы заданными являлись векторы токов прямой последовательности/>а определению подлежали ихсоставляющие /ш, 1хС2и соответственно/>представляющиесобой катеты треугольников тока, как и в фазопо-воротной схеме. Из векторной диаграммыследует
/>
Таккак сопротивления обратно пропорциональны токам, то
/>
Дляобеспечения равенства токовпо абсолютному значению необ-
ходимо,чтобы/>
/>
приэтом/>Если на вход фильтра податьтолько токи обратной последовательности, то этому случаю будет соответствоватьвекторная диаграмма, показанная на рис. 15, е.
/>
Онаотличается от векторной диаграммы токов прямой последовательности тем, чтовекторы токов/>меняются местами.
Приэтом на выходе фильтра в цепи тп появляетсязначительный ток />. Из рассмотрениявекторных диаграмм следует, что если в токах, подводимых к фильтру, содержатсясоставляющие прямой и обратной последовательностей, то на выходе фильтрапоявляется ток 1т„, пропорциональныйтолько току обратной последовательности..
Внормальном режиме и при трехфазных коротких замыканиях к фильтру тока обратнойпоследовательности подводятся токи, содержащие только составляющие прямойпоследовательности. Поэтому в этих режимах ток в нагрузке фильтра отсутствует.Однако в действительности за счет погрешностей в работе фильтра и наличиянекоторой несимметрии подводимых токов в нагрузке фильтра, в частности вобмотке реле, имеется небольшой ток, называемый током небаланса.
Рассмотренныйфильтр тока обратной последовательности превращается в фильтр тока прямойпоследовательности, если поменять местами токи на входных зажимах 1а и /с. Распространение получилитакже комбинированные фильтры, которыеодновременно выделяют составляющие прямой и обратной последовательностей. Такойфильтр в общем случае можно получить, если расстроить фильтр'тока обратнойпоследовательности, изменяя, например, сопротивление резистора R2.
Фильтртока нулевойпоследовательности. В соответствии с методом симметричных составляющихпервичный ток нулевой последовательности/>
Токиможно сложить, если вторичные обмотки трансформаторов тока, установленных втрех фазах, соединить параллельно одноименными выводами, а к точкам соединенияподключить обмотку реле КА. Приэтом/>
/>
Дляреальных трансформаторов тока с учетом их токов намагничивания и коэффициентовтрансформации ток в реле
/>
или
/>
Токнулевой последовательности появляется при повреждениях на землю. В другихрежимах, когда он отсутствует, через реле проходит только ток небаланса/>, который увеличивается свозрастанием первичного тока и появлением в нем апериодической слагающей.Рассмотренная схема соединения трансформаторов тока ТА 1—ТАЗ называется трехтрансформаторным первичным фильтром тока нулевойпоследовательности. Он используется обычно взащитах элементов сетей с заземленными нейтралями.
Применяетсятакже однотрансформаторный первичный фильтр, представляющий собой специальныйизмерительный трансформатор токанулевой последовательности. Трансформатор состоит из тороидальногомагнитопровода М, накотором располагается вторичная обмотка. Магнитопровод надевается на трехфазныйкабель К, которыйявляется первичной обмоткой ТИП. Изготовляются также трансформаторы токанулевой последовательности с магнитопроводом прямоугольной формы для шинноготокопровода.
Первичнымтоком ТИП является сумма фазных токов, проходящих по проводам кабеля или шинам.В нормальном режиме и при многофазных коротких замыканиях сумма фазных токовравна нулю, поэтому магнитный поток в магнитопроводе отсутствует, а ЭДСвторичной обмотки и ток в реле КА тожеравны нулю.
Призамыкании на землю эквивалентный первичный ток определяется токами нулевойпоследовательности. Он обусловливает в магнитопроводе поток, который наводитЭДС во вторичной обмотке ТНП, возбуждающую ток в реле. Таким образом, ток вобмотке реле появляетс* только при замыкании на землю; он пропорционален токунулевой последовательности /0.
В действительности в ТНП осуществляется суммирование не токов IA, IBt £с, асоответствующих магнитных потоков Ф^, Ф_д и Ф_с, которые,замыкаяа по магнитопроводу, образуют результирующий поток первичной обмотю-Ф =+ Ф_д + Ф_с. Взаимные индуктивности между проводами фаз защищаемойустановки и вторичной обмоткой ТНП не одинаковы, что обусловливает наличиенекоторого потока небаланса Фн6 в магнитопроводе и тока небалансе /н6в обмотке реле при нормальной работе и многофазных коротких замыканиях, несвязанных с землей.
Таким образом, существенное отличие ТНП от трехтрансформаторногсфильтра состоит в том, что его ток небаланса определяется только несимметриейрасположения проводов фаз кабеля относительно магнитопровода и вторичнойобмотки. Поэтому он значительно меньше тока небаланса трехтрансформа-торногофильтра и обычно не превышает /н6 = 8… 10 мА. Область применениеТНП определяется защитами от замыкания на землю в системах с изолированной икомпенсированной нейтралью.
Дляповышения чувствительности защиты трансформатор тока нулевой последовательностивыполняют с подмагничиванием. Сущностьподмагничивания состоит в том, что с помощью дополнительной обмотки в ТНПсоздается вспомогательный магнитный поток, благодаря которому трансформаторработает в оптимальном режиме, отдавая вс вторичную цепь наибольшую мощность.Первичная обмотка ТНП состоит из одного витка, поэтому магнитодвижущая сила F3, обусловленная первичнымтоком замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью, мала. Изхарактеристики намагничивания ТНП видно. что при отсутствии подмагничивания МДСF3 создаетво вторичной обмотке ТНП небольшую ЭДС £2.
/>
Приналичии подмагничивания магнитодвижущая сила FnM перемещает рабочую точкухарактеристики в область наибольшей крутизны, в результате при той же F3 ЭДС во вторичной обмоткезначительно возрастает до £2". Соответственноувеличивается ток в реле, т. е. повышается чувствительность защиты.
Источникомтока подмагничивания служит первичный измерительный трансформатор напряжения.Для исключения трансформаторной связи между обмоткой подмагничивания ивторичной обмоткой магнито-провод ТНП выполняют из двух частей, имеющихсамостоятельные секции обмотки подмагничивания wnM и вторичной обмотки w2. Секции обмотки wnM одна относительно другойвключены встречно, а секции обмотки w2 — согласно. Поэтому ЭДС,наводимые в секциях вторичной обмотки магнитным потоком подмагничивания,компенсируются, а при отсутствии составляющих нулевой последовательности впервичных токах по обмотке реле проходит только ток небаланса/н6.
В общем случае ток 1^ содержитдве составляющие, одна из которых /н6нс обусловленанесимметричным расположением первичных токопроводов относительно вторичнойобмотки, а вторая /н6пм — неидентичностью магнитопрово-дов ТНП. Впаспортных данных ТНП задают соответствующие им ЭДСнебаланса ^нб.нси при номинальном режиме трансформатора тока /|номи С/пмном. Определяя ток небаланса, обе его составляющиескладывают арифметически, причем составляющую /н6нснаходят не для номинального режима ТНП, а для случая внешнего короткогозамыкания, когда в первичной цепи проходитток, в к разбольший номинального:
/>
Здесь/>— соответственносопротивление обмотки реле и эквива-
лентное сопротивление ветви намагничивания трансформатора тока,отнесенное к вторичной обмотке.
При исчезновении намагничивания второе слагаемое в равно нулю, но одновременно резкоснижается сопротивление/>Поэтому в целом ток1^ может возрасти. Полагая в/>можно получить
/>
При определении вторичного тока небаланса расчетным служит большееиз двух значений, полученных по и. Первичный ток небаланса Гш, приведенный к вторичнойобмотке в соответствии с эквивалентной схемой ТНП, распределяется междусопротивлениями/>
/>
где wt = 1 — число витковпервичной обмотки ТНП.
Трансформатортока нулевой последовательности с подмагничива-нием используется прежде всего взащитах от замыкания на землю синхронных генераторов.
Фильтрнапряжения обратной последовательности.Напряжение обратной последовательности можно выделить с помощью ФНОП.Междуфазные напряжения Иы> И™ как известно, не содержатсоставляющих нулевой последовательности, поэтому для упрощения конструкцийфильтра целесообразно включить его не на фазные, а на линейные напряжения.Наиболее распространены фильтры, состоящие из резисторно-конденсаторных цепей,рассмотренных в 6.
Фильтрсодержит две цепи — а ис, включенные соответственнона напряжения и U^… При этом вершинепрямоугольного треугольника напряжений в цепи а соответствует точка т, а в цепи с — точка п, являющиеся выходнымизажимами фильтра. Сопротивления цепей фильтра Ха, RB иХс, Rc подбирают таким образом,чтобы при подводе к фильтру междуфазных напряжений, не содержащих составляющихобратной последовательности, на его выходных зажимах напряжение Um„ было равно нулю. В этомслучае на векторной диаграмме фильтра точки тип совпадают.
При построении векторной диаграммы прежде всего изображают векторыподведенных к цепям фильтра напряжений прямой последовательности Ulab и Uibc. Затем для каждой цепистроят треугольник напряжений с учетом принятыхнаправлений токов /„ и /с.
/>
Изполученных треугольников можно определить соотношения сопротивлений RB, Ха и Rc, Хс:
/>
Таккак конденсаторы имеют стандартные емкости, то резисторы выполняют снепрерывным изменением их сопротивлений, позволяющим устанавливать их расчетныесоотношения. Сопротивления определяются расчетом фильтра исходя из условияотдачи максимальной мощности. Это достигается при равенстве абсолютных значенийсопротивления нагрузки фильтра, например реле Zp, подключаемогок фильтру, и внутреннего сопротивления фильтра ZK^, замеренногосо стороны вторичных зажимов при закороченных первичных.
Векторнаядиаграмма напряжений обратной последовательности отличается от векторнойдиаграммы напряжений прямой последовательности тем, что междуфазные напряжения ЦаЬи Цса меняютсяместами, а вектор напряжения Иьс поворачиваетсяна угол я. При этом изменяют положение и треугольники напряжений, а их вершины тип смещаются относительнодруг друга. Напряжение Umn между точками тип является напряжением навыходе фильтра в режиме, когда его выходные зажимы разомкнуты. Онопропорционально подведенному напряжению обратной последовательности. Согласновекторной диаграмме/>
Вобщем случае, когда в подведенных к фильтру напряжениях содержатся составляющиепрямой и обратной последовательностей, анализ работы фильтра проводитсяаналогично. При этом на его разомкнутых выходных зажимах тип появляется напряжение Цт„,пропорциональное только напряжению обратнойпоследовательности, т. е./>, где тх — коэффициентпропорциональности, называемый отношениемхолостого хода.
Внормальном симметричном режиме и при трехфазных коротких замыканиях на выходефильтра имеется небольшое напряжениенебаланса 1/н6, которое определяетсяпогрешностью в работе фильтра и наличием некоторой несимметрии системы входныхнапряжений. Погрешность в работе фильтра увеличивается при отклонении частоты,так как изменяется сопротивление конденсаторов фильтра и нарушается расчетноесоотношение между R и X.
Рассмотренныйфильтр можно использовать и как фильтр напряжения прямой последовательности.Для этого достаточно поменять местами входные зажимы фильтра, например о и с.Если в фильтре нарушается указанное соотношение между Я и А', то получаетсякомбинированный/>Фильтр,напряжение на выходе которого пропорционально
8. Преобразователисинусоидальных токов и напряжений в постоянные токи и напряжения и ихприменение
Применяемые схемы выпрямления. Наибольшегораспространения получила схема двухполупериодного выпрямления И9. Основными элементами ееявляются вентили — обычно кремниевые диоды VD1—VD4. Онивключаются так, что при активной нагрузке R„ впервый полупериод открытыми оказываются, например, диоды VD1—VD3, аво второй — диоды VD2—VD4.
/>
Приэтом на выходе схемы в нагрузке R„ выпрямленныеток и напряжение не постоянны. Онисодержат постоянную составляющую, которая является средним значениемвыпрямленных величин и переменную составляющую. Постоянные составляющие тока инапряжения
/>
где/ти, — максимальные, / и U— действующиезначения синусоидальных тока и напряжения.
Переменнаясоставляющая содержит в основном гармоническую двойной частоты. Для правильногофункционирования устройств релейной защиты и автоматики переменная составляющаяобычно нежелательна, поэтому принимают, меры по ее уменьшению. В частности,включают конденсатор параллельно нагрузке или реактор последовательно с ней.
Схемытрехфазного выпрямителя содержат шесть диодов, включенных так, что приподаче на вход схемы синусоидальных напряжений фаз А, В, С потенциал точки / равенвысшему, а потенциал точки 2 —-низшему из потенциалов фаз А, В,С. При этом открытыми оказываются диод, связывающийточку / с фазой, имеющей высший потенциал, и диод, связывающий точку 2 с фазой, имеющей низшийпотенциал. Если в рассматриваемый момент времени фаза А имеет высший, а фаза В — низший потенциал, тооткрытыми будут диоды VD1 и VD5, апуть прохождения тока — таким, как показано на рис. 20, а. При симметричныхнапряжениях фаз и активной нагрузке среднее значение выпрямленного напряженияна нагрузке {/ср = 2,34£/ф, где иф— действующее значение фазного напряжения.
Еслина вход схемы подаются синусоидальные токи, сумма которых в каждый моментвремени равна нулю, то одновременно оказываются открытыми три диода.
/>
Черезодин из них ток проходит в нагрузку, а через два других возвращается, либочерез два диода проходит в нагрузку, а через один возвращается. Так, если токпроходит через VD2, то возвращается через VD4 иVD6. При симметричных токахсреднее значение выпрямленного тока в активной нагрузке 1^ = 1,35/. Если ввыпрямляемых токах имеются составляющие нулевой последовательности, то этисоставляющие не смогут попасть в нагрузку. Для создания такого пути в схемувыпрямления вводят дополнительно два диода VD4, VD8.
Максиселекторы и миниселекторы используютсядля выделения максимального тока или минимального напряжения, которые обычноявляются током и напряжением поврежденной фазы. Эти устройства позволяютвыполнить защиту от всех видов КЗ односистемной, т. е. имеющей только одинизмерительный орган. Так выполнена, например, максимальная токовая защитаустройства ЯРЭ-2201. Для выделения максимального тока использован максиселек-тор, имеющий промежуточныетрансформаторы тока TLA1—TLA3, к вторичным обмоткамкоторых подключены двухполупери-одные выпрямители VS1—VS3. Длявыделения из подведенных токов /„, 1Ь,1С тока, мгновенное значение которого больше,выходы выпрямителей соединены последовательно и подключены к нагрузке R„. Наибольшийвыпрямленный ток соответствующего выпрямителя проходит через нагрузку к двумостальным выпрямителям, открывая все их диоды. При этом два других токазамыкаются через диоды своих выпрямителей и не выходят во внешнюю цепь. Иногдаподводимые к максиселектору токи предварительно преобразуются в напряжения,например, с помощью трансреакторов. При этом для максиселектора может бытьиспользована рассмотренная выше трехфазная двухполупериодная схема выпрямления. Напряжение на выходе этойсхемы пропорционально наибольшему из подводимых токов. Такой максиселекторприменен, например, в дистанционной защите ДЗ-10.
Миниселектор представляет собойустройство, на вход которого подаются выпрямленные напряжения,пропорциональные, например, линейным напряжениям ЦаЬ, ЦЬс, Цсв, ана выходе всегда выделяется напряжение, пропорциональное наименьшему изподводимых напряжений.
/>
Работуминиселектора поясняет схема, на которой R„ —сопротивление нагрузки {/,, U2, С/3— напряженияна входах мини-селектора, Uon —опорное напряжение. Пусть выполняется условие Ui Uon, товсе диоды оказываются закрытыми и ток в нагрузке RH отсутствует. Такимобразом, ток в нагрузке определяется разностью напряжения £4п инаименьшего из напряжений
Ц- и3.
Блоки питания предназначены для обеспеченияоперативным выпрямленным током устройств релейной защиты и автоматики. Ониобычно подключаются к первичным измерительным трансформаторам тока, напряженияили трансформаторам собственных нужд подстанций. Существует несколько типовблоков питания UGA, подключаемых ктрансформаторам тока ТА, отличающихсяглавным образом отдаваемой мощностью. Все они содержат промежуточныйнасыщающийся трансформатор тока TLAT идвухполупериодный выпрямитель VS навыходе. Использование насыщающегося трансформатора тока необходимо дляподдержания достаточно стабильного напряжения на выходе блока питания приизменении тока iв широких пределах. Однако из-за насыщения магнитопровода TLAT резко искажается форма кривой вторичногонапряжения, а его амплитуда при значительных нагрузках блока существенновозрастает. В связи с этим принимаются меры по ограничению амплитуды вторичногонапряжения до приемлемых значений. Одной из мер стабилизации является включениепараллельно вторичной обмотке TLAT конденсатораС1, обеспечивающего вместе светвью намагничивания трансформатора феррорезонансную стабилизацию напряженияна выходе блока. Вторичнаяобмотка имеет ответвления для подрегулировки тока наступления феррорезонанса идля получения требуемого номинального напряжения. Последовательное ипараллельное включение секций первичной обмотки TLAT, атакже наличие в них ответвлений позволяют изменять входное сопротивление блокаи уставки по току наступления феррорезонанса.
/>
В,устройствах релейной защиты и автоматики в качестве кратковременных источниковоперативного тока применяются коденсаторные батареи, заряженные в нормальномрежиме работы. Заряжаются конденсаторные батареи с помощью специальных зарядныхустройств. Однако для этой цели можно использовать блоки питания, если к выходувыпрямителя VS подключить диод VD и резистор R. Для медленного заряда конденсаторной батареи С2 она включается черезрезистор R. Диод VD исключает ее разряд при исчезновении тока i на входе TLAT. Такиеблоки получили названия блоковпитания и заряда. К ним относится блок БПЗ-402. Его мощностьне превышает 200 Вт.
Блокипитания VGV, подключенные ктрансформатору напряжения TV илитрансформатору Т собственныхнужд, содержат промежуточный трансформатор напряжения и выпрямитель. Первичнаяобмотка промежуточного трансформатора состоит из двух секций, а вторичная имеетответвления. Соединяя секции параллельно или последовательно, можно блокпитания включать на номинальные входные напряжения, например ПО и 220 Всоответственно. Ответвления на вторичной обмотке позволяют иметь неизменныйуровень выпрямленного напряжения при различных входных напряжениях.
Стабилизациявторичного напряжения промежуточного трансформатора предусматривается невсегда. Так, она отсутствует, например, в блоке питания и заряда БПЗ-401.
Блокипитания и заряда могут работать в двух режимах: в режиме постоянного питанияустройств зашиты и автоматики выпрямленным оперативным током или в режимезаряда конденсаторных батарей, используемых в качестве кратковременныхисточников оперативного тока для приведения в действие коммутационных аппаратови устройств защиты и автоматики. В режиме заряда к блокам питания и зарядаможно подключить и нагрузку небольшой мощности.
Нарис. 23 показаны схемы подключения блоков питания и заряда UGA типа БПЗ-402 к измерительным трансформаторам токаТА и VGVmm БПЗ-401 — к трансформаторам напряжения TV или к трансформаторам собственных нужд Т. Включение токовых цепейрелейной защиты и автоматики на трансформаторы тока, используемые для питанияблоков питания VGA, не допускается. Блоки VGA и VGV можноиспользовать как раздельно, таки совместно.
/>
Промышленностьвыпускает также блоки питания серии БПТ-11 и БПН-11. Основная область ихприменения — элементы системы электроснабжения, оборудованные выключатели слегкими приводами, где они могут обеспечить питание электромагнита отключения сноминальной мощностью 20...25 Вт, а также питание устройств защиты сигнализацииоднофазных замыканий на землю в сетях с изолированной или компенсированнойнейтралью. Выпускаются также мощные блоки питания БПТ-1002 и БПН-1002, предназначенныедля питания выпрямленным оперативным током аппаратуры релейной защиты,сигнализации и управления, выполненной на номинальное напряжение ПО или 220 В,имеющие номинальную мощность 800...1500 Вт в кратковременном режиме.