Объяснение насыщения ТТ: причины, последствия и решения для надежной защиты

Фидер 10 кВ питал распределительный трансформатор мощностью 1600 кВА. В кабельной коробке произошло внешнее замыкание на болтах, и реле защиты фидера не подавало команду на отключение почти пять секунд. Бак трансформатора, хотя и не был внешне поврежден, позже выяснилось, что его обмотка сильно смещена. Техник-релетехник, исследовавший запись аварийных ситуаций, увидел вторую гармонику, появившуюся почти сразу после возникновения неисправности. Трансформатор тока в точке звезды насытился в первом цикле.

В этом событии нет ничего необычного. Насыщение ТТ остается одной из наиболее распространенных причин непредсказуемого поведения систем защиты. Ключевой вывод заключается в том, что насыщение не является проблемой настройки реле, которую можно полностью решить программно. На него влияют характеристики ТТ, подключенная нагрузка и физическое состояние магнитопровода. Если вы занимаетесь определением трансформаторов или распределительных устройств, стоит понять, как начинается насыщение и что можно сделать, чтобы его предотвратить.

Что такое насыщение ТТ и почему оно происходит?

Идеальный трансформатор тока воспроизводит первичный ток на вторичной стороне с точной пропорциональностью в каждый момент времени. На практике магнитный сердечник имеет конечную потокоемкость. Когда плотность потока достигает точки перегиба, ток намагничивания быстро возрастает, и сердечник не может обеспечить необходимое вторичное напряжение. Вторичный ток больше не является масштабированным изображением первичного тока.

Это состояние возникает всякий раз, когда требуемое вторичное напряжение превышает напряжение в точке перегиба. Обычно это происходит, когда первичный ток во много раз превышает номинальное значение, особенно при асимметричных замыканиях. Постоянная составляющая асимметричного разлома смещает поток в ядре так, что насыщение начинается раньше и происходит глубже. ТТ, который хорошо работает при номинальной нагрузке, может выйти в насыщение менее чем за полпериода при высоком токе повреждения.

С точки зрения защиты важным показателем является коэффициент ограничения точности. ТТ класса 5P20 гарантирует составную погрешность менее 5 % при двадцатикратном номинальном первичном токе при условии, что нагрузка не превышает номинальную нагрузку. Если максимальный ток повреждения в установке в сорок раз превышает номинальный ток, существует вероятность насыщения трансформатора тока, даже если он имеет маркировку 5P20.

Как насыщение ТТ влияет на эффективность защиты

Непосредственным результатом является то, что реле защиты получает искаженную версию тока повреждения. Насыщенный трансформатор тока создает вторичный ток с выраженным сглаженным пиком и значительным содержанием гармоник. Результатом является одно из следующих:

• Реле максимального тока срабатывают медленнее, поскольку среднеквадратичное значение искаженного тока ниже истинного значения.
• Дифференциальные реле могут воспринимать искажение формы сигнала как внутреннюю неисправность и выдавать ложное отключение.
• Дистанционные реле не обеспечивают защиту линии, поскольку измеренное полное сопротивление искажается.
• Защита от отказа выключателя может не получить достоверный сигнал второй ступени, что увеличивает время устранения неисправности.

Практические последствия не ограничиваются схемой защиты. Задержка отключения увеличивает пропускную способность трансформаторов, кабелей и шин. В случае трансформатора смещение обмотки может произойти до того, как неисправность будет локализована. Стоимость ремонта или замены в этом случае намного превышает стоимость правильного выбора ТТ защитного класса.

Насыщение также может вызвать нежелательные неприятные отключения. На слабонагруженном фидере событие насыщения ТТ, вызванное пусковым током, может быть ошибочно интерпретировано как неисправность. Современные реле используют блокировку гармоник или идентификацию формы сигнала, но физический трансформатор тока по-прежнему должен иметь достаточную площадь медных проводов и жил, чтобы выдерживать броски тока без потери пропорциональности.

Как выявить и предотвратить насыщение ТТ во время проектирования

Для расчета насыщенности не существует упрощенного метода. Реле защиты может использовать алгоритмы, которые обнаруживают насыщение и временно блокируют дифференциальный элемент, но это метод смягчения, а не замена правильного подбора трансформатора тока. Реле может обнаружить насыщение после его возникновения; он не может предотвратить насыщение ядра.

Инженерный подход заключается в определении ТТ по наихудшему току повреждения и внешней нагрузке:

1. Определите максимальный симметричный и асимметричный ток короткого замыкания в месте расположения трансформатора тока.
2. Рассчитайте необходимое напряжение в точке перегиба, используя вторичное сопротивление трансформатора тока, сопротивление подключенного провода и нагрузку реле.
3. Выберите класс трансформатора тока с предельным коэффициентом точности, обеспечивающим достаточный запас по напряжению в данных условиях.
4. Проверьте характеристики трансформатора тока при фактической нагрузке, а не при номинальных значениях, указанных на паспортной табличке.

Также важно проверить остаточный поток в сердечнике до возникновения неисправности. Перемагничивание может снизить полезный диапазон магнитного потока и вызвать более раннее насыщение. Некоторые схемы реле намеренно вводят небольшую задержку во избежание отключения при переходном насыщении, но задержка работает только в том случае, если трансформатор тока быстро возвращается в линейную область.

Самая простая проверка на месте — подать переменное напряжение промышленной частоты на вторичную обмотку и построить график тока намагничивания. Точка перегиба появляется, когда ток начинает резко возрастать. Если измеренное напряжение в точке перегиба ниже значения, рассчитанного для тока повреждения, трансформатор тока произойдет насыщение при этом повреждении. Этот тест должен быть частью ввода в эксплуатацию, а не откладываться на более поздний сеанс устранения неполадок.

Когда насыщение ТТ соответствует решениям о покупке трансформатора

Когда трансформатор приобретается для проекта, естественно, внимание уделяется эффективности, размерам и цене. Соответствующие трансформаторы тока часто входят в спецификацию распределительного щита и могут рассматриваться как второстепенная мысль. Однако защита трансформатора настолько надежна, насколько надежны трансформаторы тока, питающие реле. В нашей работе с распределительными трансформаторами мы постоянно видели, что на объекте с правильными исследованиями насыщения ТТ риск неожиданных отключений гораздо ниже. Например, производимый нами распределительный трансформатор из аморфного сплава имеет чрезвычайно низкие потери холостого хода, но ему по-прежнему требуется защитный трансформатор тока с достаточным запасом насыщения на случай замыкания на клеммах.

Нераспределительный трансформатор из аморфного сплава для промышленного распределения электроэнергии Этот трансформатор имеет чрезвычайно низкие потери холостого хода и полностью герметичную масляную конструкцию. Его защита опирается на трансформаторы тока правильного размера с достаточным запасом насыщения, чтобы избежать неожиданных отключений при замыканиях на клеммах. Посмотреть продукт →

Трансформаторы сухого типа представляют собой отдельный случай. Их расположение внутри здания или рядом с ним часто требует более чувствительной защиты, чтобы минимизировать риск пожара. В условиях пожароопасной среды время отключения должно быть коротким, однако быстрое насыщение трансформатора тока может помешать реле увидеть истинный уровень тока. Наша линейка распределительных трансформаторов сухого типа разработана с консервативными тепловыми запасами, так что в условиях перегрузки у защиты есть время сработать, в то время как трансформатор тока все еще может воспроизводить точный ток во время первых циклов повреждения.

Распределительный трансформатор сухого типа с изоляцией из эпоксидной смолы Этот трансформатор, предназначенный для использования в пожароопасных помещениях, имеет огнестойкую конструкцию, не требующую обслуживания. Его защита требует короткого времени срабатывания, но консервативные температурные запасы позволяют трансформаторам тока надежно воспроизводить ток повреждения. Посмотреть продукт →

Морские установки создают дополнительный уровень сложности, поскольку токи повреждения часто бывают высокими, а сеть питания изолирована. Судовой трансформатор с водяным охлаждением в машинном отделении судна может питаться от генератора с высоким соотношением X/R, создавая сильное смещение постоянного тока, которое может насыщать трансформаторы тока даже при умеренных повреждениях. Мы поставляли судовые трансформаторы, где инженер-проектировщик прямо требовал проверки насыщения трансформатора тока для трансформатора тока нейтральной точки. Трансформатор предназначен для работы в среде с высоким содержанием соли; проект защиты по-прежнему зависит от тех же правил расчета трансформаторов тока.

Морской трансформатор с водяным охлаждением для судов и морских платформ Создан для суровых морских условий, устойчив к солевым брызгам, плесени и влажности. В изолированных судовых сетях с высоким соотношением X/R для надежной защиты необходимы правильные проверки насыщения трансформаторов тока. Посмотреть продукт →

На уровне распределительного щита ТТ монтируются внутри распределительного устройства среднего напряжения, и их производительность не может быть отделена от номинала фидера. Например, распределительное устройство KYN28 может иметь совершенно разное поведение при насыщении трансформатора тока в зависимости от материала сердечника и вторичной обмотки. Поставщик распределительного устройства должен указать класс ТТ и напряжение в точке перегиба, а не только коэффициент тока.

Если вам нужен более практический пример определения параметров трансформатора тока для морского оборудования, прочтите нашу статью Стандарты проектирования морских трансформаторов и советы по выбору охватывает ключевые параметры. Для более широких системных вопросов раздел решений нашего сайта объясняет, как выбор трансформатора и распределительного устройства сочетается с координацией защиты.

Урок простой. Насыщение трансформатора тока — это проблема спецификации, которая выходит за рамки настроек трансформаторов, распределительных устройств и реле. Несколько дополнительных минут, потраченных на анализ насыщения на этапе проектирования, могут предотвратить сбой в работе защиты, который приводит к месяцам простоя. Если вы заменяете оборудование или строите новую подстанцию, попросите поставщика распределительного устройства предоставить напряжение точки перегиба ТТ для наихудшего случая повреждения и не принимайте общий класс 5P20 без расчета.

В конечном итоге надежная защита зависит от всей цепочки: трансформатора, распределительного устройства, трансформаторов тока и реле. Производитель трансформатора может предложить эффективный и надежный блок, но эффективность защиты по-прежнему зависит от трансформаторов тока, установленных вокруг него. Убедитесь, что проверка насыщения трансформаторов тока является частью вашего следующего разговора о закупках.