Трансформаторы тока (ТТ) устанавливают во всех цепях (цепи генераторов, трансформаторов, линий и пр.). Состав измерительных приборы, подключаемых к ТТ зависит от конкретной цепи и выбирается согласно рекомендациям предыдущего раздела 13. В первую очередь это будут амперметры и приборы, для работы которых необходима информация о токе и напряжении: ваттметры, варметры, счетчики активной и реактивной энергии.
ТТ являются однофазными аппаратами и могут быть установлены в одну, две или три фазы, как это показано на рис. 14.1. Обычно в цепях 6 – 10 кВ ТТ устанавливают в двух фазах по схеме неполной звезды, при напряжении 35 кВ и выше – в трех фазах, по схеме полной звезды.
Рис. 14.1 Схемы соединения измерительных трансформаторов тока и приборов (показаны только амперметры): а – включение в одну фазу; б – включение в неполную звезду; в — включение в полную звезду. Здесь l-расстояние от ТТ до приборов, lрасч –расчетное расстояние учитывающее l и схему соединения соединения ТТ.
Ниже в таблице приводится набор параметров, которыми характеризуются трансформаторы тока
Наименование параметра | Обозначение параметра |
Номинальное напряжение | Uном , кВ |
Номинальный первичный ток | I1ном,, А |
Номинальный вторичный ток | I2ном = 1 А; 5 А |
Ток динамической стойкости | iдин , кА |
Ток термической стойкости | Iтс , кА |
Время термической стойкости | tтс , с |
Вторичное номинальное сопротивление | z2ном, Ом |
Выбор трансформаторов тока при проектировании энергоустановок заключается в выборе типа трансформатора, проверке на электродинамическую и термическую стойкость, определении ожидаемой вторичной нагрузки Z2 и сопоставлении ее с номинальной в заданном классе точности Z2hом.
Условия выбора трансформаторов тока (ТТ):
1. В нагрузочном режиме трансформатор тока должен неограниченно долго выдерживать воздействие первичного номинального тока I1ном и номинального напряжения Uном, т.е.
где Iраб.форс – рабочий форсированный ток в цепи ТТ (зависит от того, в цепи какого присоединения стоит ТТ), Uуст – напряжение установки, где применён ТТ.
Вторичный номинальный ток I2ном может выбран 1А или 5А, в зависимости от конкретного ТТ и дополнительных условий.
2. Проверка трансформатора тока на электродинамическую стойкость.
Электродинамическая стойкости ТТ будет обеспечена, если будет выполнено условие:
где iдин – амплитуда предельного сквозного тока (тока динамической стойкости), который ТТ выдерживает по условию механической прочности, а iу (3) –значениеударного тока при трёхфазном КЗ.
3. Проверка трансформатора тока на термическую стойкость.
Термическая стойкость ТТ будет обеспечена, если будет выполнено условие:
Iтс 2 tтс ≥Bк, где Iтс — номинальный ток термической стойкости ТТ, tтс — номинальное время термической стойкости; Вк — расчетный тепловой импульс в цепи ТТ (методика расчета Вк рассматривалась в разделе 9).
4. Проверка трансформатора тока по работе в заданном классе точности.
Трансформаторы тока характеризуются токовой погрешностью fi=(I2K—I1)100/I1 (в процентах), где I1 и I2 – токи первичной и вторичной обмоток ТТ, а K=I1ном/I2ном — коэффициент трансформации ТТ.
В зависимости от токовой погрешности измерительные трансформаторы тока разделены на пять классов точности: 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Наименование класса точности соответствует предельной токовой погрешности трансформатора тока при первичном токе, равном 1—1,2 номинального. Для лабораторных измерений предназначены трансформаторы тока класса точности 0,2, для присоединений счетчиков электроэнергии — класса 0,5, для присоединения щитовых измерительных приборов — классов 1 и 3. Класс 10 применяется для присоединения устройств релейной защиты, но этот класс должен быть обеспечен при больших токах КЗ, а не при токах нагрузки.
При одном и том же первичном токе I1 токовая погрешность ТТ зависит от сопротивления вторичной нагрузки Z2, чем оно больше тем больше погрешность. Чтобы ТТ работал в заданном классе точности необходимо выполнить условие:
где Z2hом — номинальная нагрузка трансформатора тока при работе в заданном классе точности (выраженная в Омах, дается в каталогах на ТТ).
Рассмотрим подробнее, как рассчитывается нагрузка Z2. Индуктивное сопротивление токовых цепей невелико, поэтому можно принять Z2 ≈r2. Вторичная нагрузка состоит из сопротивления приборов (rприб), соединительных проводов (rпр) и переходного сопротивления контактов в местах подключения приборов (rк):
Сопротивление приборов rприб=Sприб/I 2 2ном, где Sприб — мощность, потребляемая приборами в наиболее нагруженной фазе.
Сопротивление контактов rк принимают равным 0,05 Ом при двух-трех и 0,1 Ом — при большем числе приборов.
Таким образом, при заданном составе приборов, удовлетворить условие (14.1) можно только за счет площади сечения соединительных проводов rпр.
Зная Z2hом, определяем допустимое сопротивление rпр= Z2hом – rприб-rк и площадь сечения провода q=ρlрасч/rпр, где ρ — удельное сопротивление материала провода; lрасч— расчетная длина, зависящая от схемы соединения трансформаторов тока и расстояния l от трансформаторов тока до приборов: при включении в неполную звезду lрасч = √З l (рис.14.1б),при включении в звезду lрасч= l (рис.14.1в); при включении в одну фазу lрасч=2l (рис.14.1а).
При реальном проектировании расстояния l известно, но при учебном проектировании это расстояние может быть не задано и тогда для разных присоединений принимается приблизительно следующая длина соединительных проводов l (в метрах):
Все цепи ГРУ 6—10 кВ, кроме линий к потребителям . 40—60
Линии 6—10 кВ к потребителям. . 4—6
Цепи генераторного напряжения блочных станций 20—40
Все цепи РУ 35 кВ . . 60—75
Все цепи РУ 110 кВ. 75—100
Все цепи РУ 220 кВ. 100—150
Все цепи РУ 330—500 кВ. 150—175
Для подстанций указанные длины снижают на 15—20%.
В качестве соединительных проводников применяют контрольные четырехжильные кабели (три фазных жилы и жила обратного проводника). Их сопротивление зависит от материала и сечения жил. Кабели с медными жилами (удельное сопротивление ρ=0,0175 Ом мм 2 /м) применяют во вторичных цепях мощных электростанций с высшим напряжением 220 кВ и выше. Во вторичных цепях остальных электроустановок используют кабели с алюминиевыми жилами (удельное сопротивление ρ=0,028 Ом • мм 2 /м).
На основании вышеизложенного минимальное сечение жилы контрольного кабеля можно определить согласно соотношению:
.
По условию механической прочности сечение медных жил должно быть не менее 1,5 мм 2 , а алюминиевых жил — не менее 2,5 мм 2 . Если в число подключаемых измерительных приборов входят счетчики, предназначенные для денежных расчетов, то минимальные сечения жил увеличивают до 2,5 мм 2 для медных жил и до 4 мм 2 для алюминиевых жил.
Трансформатор тока, как всякий аппарат, включаемый в цепь последовательно, должен быть электродинамически и термически стойким.
Электродинамическая стойкость. В трансформаторах тока имеют место внутренние электродинамические силы от взаимодействия токов в элементах обмоток, главным образом первичной, и внешние силы от взаимодействия токов разноименных фаз.
Многовитковые трансформаторы тока, у которых первичная обмотка выполнена в виде катушки или в виде нескольких петель удлиненной формы, подвержены в основном действию
внутренних электродинамических сил. В одновитковых трансформаторах, где первичная обмотка представляет собой прямолинейный проводник, внутренние силы практически отсутствуют и электродинамическая стойкость определяется внешними силами.
Электродинамическую стойкость трансформаторов тока характеризуют током динамической стойкости iДИН или отношением этого тока к амплитуде номинального первичного тока, т. е. кратностью
Кроме того, для трансформаторов тока внутренней установки, подверженных внешним электродинамическим силам вследствие относительно небольших расстояний между фазами, заводы-изго-.товители указывают наибольшее допустимое расстояние от вывода первичной обмотки до ближайшего опорного изолятора при минимальном расстоянии между фазами.
Условие электродинамической стойкости трансформатора тока выражается следующим образом:
Условие термической стойкости трансформатора тока имеет вид
где В — интеграл Джоуля; Ктер = = Iтер/I1ном — кратность тока термической стойкости.
17.5. Конструкции трансформаторов тока
Различают две основные группы измерительных трансформаторов тока: одновитковые и многовитковые.
Одновитковые трансформаторы наиболее просты в изготовлении. Однако при одном витке первичной обмотки и применении стали среднего качества
МДС обмотки недостаточна для трансформаторов класса 0,5, если первичный ток менее 400—600 А. Одновитковые трансформаторы с меньшим номинальным током, например встроенного типа, относятся к классам 1 и 3. Применение получили три характерные конструкции одновитковых трансформаторов: стержневые, шинные и встроенные.
Стержневые трансформаторы тока изготовляют для номинальных напряжений до 35 кВ и номинальных первичных токов от 400 до 1500 А. В качестве примера на рис. 17.9 показан стержневой трансформатор типа ТПОЛ (П — проходной, О — одновитковый, Л — литая изоляция) для номинального напряжения 10 кВ. Первичной обмоткой служит прямолинейный стержень 1 с зажимами на концах. На стержень поверх изоляции надеты два кольцевых магни-топровода 2 со вторичными обмотками. Таким образом, два трансформатора объединены в общую конструкцию. Маг-
нитопроводы вместе с первичной и вторичными обмотками залиты эпоксидным компаундом и образуют монолитный блок 3 в виде проходного изолятора. Блок снабжен фланцем 4 из силумина с отверстиями для крепежных болтов. Зажимы вторичных обмоток 5 расположены на боковом приливе изоляционного блока.
Диаметры магнитопроводов одинаковы для всех трансформаторов этой серии, а высота зависит от назначения трансформатора и первичного номинального тока.
Шинные трансформаторы тока изготовляют для номинальных напряжений до 20 кВ и номинальных первичных токов до 24000 А. При таких больших токах целесообразно упростить конструкцию трансформатора, используя в качестве первичной обмотки шину или пакет шин соответствующего присоединения. При этом устраняются зажимы первичной обмотки с контактными соединениями. Вследствие большого номинального первичного тока шинные трансформаторы можно выполнить в классе 0,5, не прибегая к компенсации погрешностей. Металлическая арматура шинных трансформаторов должна быть выполнена из немагнитного материала во избежание чрезмерного нагревания вихревыми токами. В качестве примера на рис. 17.10 показан шинный трансформатор типа ТШЛ-20 (Ш — шинный, Л — литая изоляция) для напряжения 20 кВ. Магнитопроводы 1 и 2 со вторичными обмотками залиты эпоксидным компаундом и образуют изоляционный блок 3. Блок соединяется с основанием 4, имеющим приливы 5 для крепления трансформатора. Проходное отверстие (окно) с размерами от 200×200 до 250×250 мм 2 рассчитано на установку двух шин корытного сечения. Зажимы 6 вторичных обмоток расположены над блоком.
Встроенные трансформаторы тока устанавливают на вводах 35 кВ и выше масляных баковых выключателей и силовых трансформаторов. На рис. 17.11 показан магнитопровод с вторичной обмоткой встроенного трансформатора
тока, предназначенного для масляного выключателя типа У-110 (два трансформатора на каждый ввод). Токоведущие стержни вводов с их изоляцией служат первичными обмотками для встроенных трансформаторов. Поэтому они дешевы и не требуют особого места для установки.
Вторичные обмотки встроенных трансформаторов выполняют с ответвлениями, позволяющими подобрать число витков и, следовательно, коэффициент трансформации в соответствии с рабочим током цепи. Обычно вторичные обмотки имеют четыре ответвления, причем основные выводы (полное число витков) соответствуют номинальному току выключателя. При работе трансформатора тока на ответвлении с неполным числом витков вторичной обмотки и, следовательно, с первичным током меньше номинального погреш-
ность его увеличивается вследствие уменьшения МДС первичной обмотки.
Погрешности встроенных трансформаторов тока при прочих равных условиях больше погрешностей стержневых и шинных трансформаторов, так как из-за значительного диаметра кольцевого магнитопровода, определяемого диаметром ввода, длина его и, следовательно, сопротивление магнитной цепи оказываются весьма большими.
Многовитковые трансформаторы тока изготовляют для всей шкалы номинальных напряжений и для токов до 1000—1500 А, т. е. применительно к условиям, когда необходимая точность не может быть обеспечена при одном первичном витке. Наличие нескольких витков в первичной обмотке усложняет конструкцию трансформатора, так как приходится учитывать внутренние электродинамические силы при КЗ и значительные витковые напряжения при волновых процессах с крутым фронтом волны. Вид изоляции и конструкцию обмоток выбирают в соответствии с номинальным напряжением.
Для напряжений 6—10 кВ изготовляют катушечные и петлевые трансформаторы тока с эпоксидной изоляцией. В качестве примера на рис. 17.12 показан внешний вид трансформатора тока типа ТПЛ-1 (П — петлевой, Л — литая изоляция) для напряжения 10 кВ. Здесь 1 — литой блок, охватывающий первичную и вторичную обмотки; 2 — магнитопроводы; 3,—зажимы вторичных обмоток; 4 — основание с отверстиями для болтов.
Для напряжений 35 — 750 кВ изготовляют трансформаторы тока наружной установки с масляным заполнением типа ТФН (Ф — фарфоровая изоляция, Н — наружная установка).
На рис. 17.13 показаны магнитопроводы и обмотки трансформатора тока типа ТФН. Кольцевые магнитопроводы 1—3 выполнены из ленточной стали. На них навиты вторичные обмотки. Первичная обмотка 4 из многожильного провода проходит через отверстия магнитопроводов. Концы ее выведены наверх. Такую своеобразную кон-
струкцию называют звеньевой или восьмерочной. Первичная обмотка состоит из двух секций, которые с помощью переключателя могут быть соединены последовательно или параллельно, благодаря чему первичный номинальный ток и, следовательно, коэффициент трансформации можно изменять в отношении 1:2. Изоляция 5 первичной обмотки, а также магнито-проводов с вторичными обмотками выполнена из кабельной бумаги. Магни-топроводы и обмотки трансформаторов тока типа ТФН заключены в фарфоровый полый изолятор, заполненный маслом (рис. 17.14).
Трансформаторы тока 330 — 750 кВ выполняют каскадного типа. Они состоят из двух ступеней — верхней 1 и нижней 2, каждая из которых является конструктивно самостоятельным элементом, аналогичным трансформатору тока типа ТФН, и рассчитана на половину номинального напряжения (рис. 17.15, а). Ко вторичной обмотке
верхней ступени присоединяется первичная обмотка 3 трансформатора нижней ступени, имеющего четыре-пять вторичных обмоток. Таким образом, в каскадном трансформаторе тока применены две последовательные трансформации (рис. 17.15, б). Это приводит к некоторому увеличению погрешностей.
Трансформаторы тока предназначены для уменьшения первичного тока до значений, наиболее удобных для измерительных приборов и реле. (5 А, реже 1 или 2,5 А), а также для отделения цепей управления и защиты от первичных цепей высокого напряжения. Трансформаторы тока, применяемые в РУ, выполняют одновременно роль проходного изолятора (ТПЛ, ТПОЛ). В комплектных РУ применяются опорно-проходные (стержневые) трансформаторы тока — ТЛМ. ТПЛК, ТНЛМ, шинные — ТШЛ. в РУ 35 кВ и выше — встроенные, в зависимости от типа РУ и его напряжения.
Расчет трансформаторов тока на подстанции, по существу, сводится к проверке трансформатора тока, поставляемого комплектно с выбранной ячейкой. Итак, марка трансформатора тока зависит от типа выбранной ячейки; кроме того, трансформаторы тока выбирают:
1) по напряжению ;
2) по току ( первичному и вторичному)
При этом следует иметь в виду, что номинальный вторичный ток 1А применяется для РУ 500 кВ и мощных РУ 330 кВ, в остальных случаях применяют вторичный ток 5 А. Номинальный первичный ток должен быть как можно ближе к расчетному току установки, так как недогрузка первичной обмотки трансформатора приводит к увеличению погрешностей.
Выбранный трансформатор тока проверяют на динамическую и термическую стойкость к токам короткого замыкания. Кроме этого трансформаторы тока подбирают по классу точности, который должен соответствовать классу точности приборов, подключаемых ко вторичной цепи измерительного трансформатора тока (ИТТ) — Чтобы трансформатор тока обеспечил заданную точность измерений, мощность подключенных к нему приборов не должна быть выше номинальной вторичной нагрузки, указанной в паспорте трансформатора тока.
Термическую стойкость трансформатора тока сравнивают с тепловым импульсом Bk:
(6.31) |
где — номинальный первичный ток трансформатора тока;
— коэффициент термической устойчивости;
tT — продолжительность протекания тока короткого замыкания.
Bk — тепловой импульс из таблицы 4.4.
Величины , , tT , являются паспортными данными трансформатора тока.
Динамическую стойкость сравнивают с ударным током (iуд):
(6.32) |
где — коэффициент динамической устойчивости.
Нагрузка вторичной цепи трансформатора тока может быть подсчитана по выражению:
, | (6.33) |
где — номинальный вторичный ток трансформатора тока;
— полное сопротивление внешней цепи.
, | (6.34) |
где — сумма сопротивлений всех последовательно включенных обмоток приборов или реле;
— сопротивление соединительных проводов;
— сопротивление контактных соединений ( = 0.05 Ом, при 2 – 3-х приборах: при числе приборов большем 3 = 0,1 Ом).
Сопротивление приборов определяется по формуле:
, | (6.35) |
где — полная мощность всех приборов, присоединенных к трансформатору тока.
Сопротивление соединительных проводов находится по формуле:
, | (6.36) |
где — удельное сопротивление провода;
lрасч — расчетная длина проводов;
q — сечение проводов.
Длина соединительных проводов зависит от схемы соединения трансформатора тока:
, | (6.37) |
где m — коэффициент, зависящий от схемы включения;
l — длина проводов (для подстанций принимают l = 5 м).
При включении трансформатора тока в одну фазу m = 2, при включении трансформатора тока в неполную звезду, , при включении в звезду, m =1.
Минимальное сечение проводов вторичных цепей трансформатора тока не должно быть меньше 2,5 мм 2 (для алюминия) и 1,5 мм 2 (для меди) по условию механической прочности. Если к трансформатору тока присоединены счетчики, эти сечения должны быть увеличены на одну ступень.
В РУ НН подстанции следует выбирать (проверять) трансформаторы тока в ячейках следующих типов: ввода, секционных, отходящих линий, а также в ячейках трансформатора собственных нужд. Расчетные токи этих ячеек определяются по выражениям (6.21-6.23), а в ячейках ТСН:
, | (6.38) |
где Sнтсн — номинальная мощность ТСН.
Результаты расчета сводятся в таблицу 6.8:
Таблица 6.8 — Сводная таблица по выбору трансформаторов тока РУ НН подстанци:
Параметр трансформатора | Условие выбора (проверки) | Типы ячеек | |
ввода | секционирования | отходящих линий | ТСН |
Тип трансформатора | определяется серией ячейки (по справочнику) | ||
Номинальное напряжение | |||
Номинальный ток | |||
первичный | |||
вторичный | А | ||
Класс точности | В соответствии с классом точности, присоединенных приборов | ||
Номинальная вторичная нагрузка | или | ||
Динамическая устойчивость | |||
Термическая устойчивость |
Рекомендуемый перечень приборов и их размещение приведены в таблице 4.11 /11/.
Пример 1
Выбрать трансформатор тока в ячейке ввода силового трансформатора на подстанции. Номинальная мощность трансформатора 6,3 МВА, коэффициент трансформации 110/10,5 кВ. На подстанции установлено два трансформатора. Расчетная нагрузка подстанции составляет Smax 10,75 МВА. Сеть 10 кВ не заземлена. Ударный ток на стороне низкого напряжения составляет 27,5 кА. К трансформаторам тока должны быть присоединены амперметры и счетчики активной и реактивной мощности. Тип ячеек в РУ-10 кВ — КРУ-2-10П.
Максимальный расчетный ток ячейки ввода (для наиболее неблагоприятного эксплуатационного режима):
А.
Выбирается ближайший стандартный трансформатор тока, встроенный в ячейку ввода (КРУ-2-10П) — ТПОЛ-600/5-0,5/Р с двумя вторичными обмотками: для измерительных приборов и релейной защиты. Номинальная нагрузка такого трансформатора тока класса точности 0,5 — S2 = 10 ВА (r2 = 0,4 Ом), кратность электродинамической устойчивости, kдин = 81, кратность термической устойчивости, kТ = 3 с. Эти данные указаны в /3, 10/.
Выбранный трансформатор тока проверяется на электродинамическую устойчивость:
,
,
а также на термическую устойчивость:
,
,
.
c из расчета (таблица 4.4); Ta =0,025 с по таблице 4.3;
кА ,
В незаземленных цепях достаточно иметь трансформаторы тока в двух фазах, например, в A и C. Определяются нагрузки на трансформатор тока от измерительных приборов, данные сводятся в таблицу 6.9:
Таблица 6.9 – Нагрузка измерительных приборов по фазам
Наименование прибора | Тип | Нагрузка по фазам | |
А | В | С | |
Амперметр | Н-377 | 0,1 | |
Счетчик активной энергии | САЗ-И673 | 2,5 | 2,5 |
Счетчик реактивной энергии | СРЧ-И676 | 2,5 | 2,5 |
Итого | 5,1 |
Из таблицы видно, что наиболее нагруженной является фаза А, ее нагрузка составляет ВА или rприб = 0,204 Ом. Определяется сопротивление соединительных проводов из алюминия сечением q = 4 мм 2 , длиной l= 5 м.
Ом,
где = 0,0283 Ом/м·мм 2 для алюминия;
Полное сопротивление вторичной цепи:
Ом,
Сравнивая паспортные и расчетные данные по вторичной нагрузке трансформаторов тока получаем:
Следовательно, выбранный трансформатор тока проходит по всем параметрам.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: