DjVu

      ФPAГMEHT УЧЕБНИКА (...) Погрешности трансформации полного тока, а также свободных составляющих целесообразно определять лишь для ТТ, специально разрабатываемых для трансформации этих токов. Допустимые значения этих погрешностей выбираются в зависимости от конкретных условий применения ТТ.
      Для расчета погрешностей нелинейных трансформаторов тока при переходных процессах в первичной цепи был предложен ряд более или менее точных методов определения тока намагничивания ТТ, поскольку погрешности ТТ определяются этим током. В [5] был изложен метод расчета тока намагничивания по последовательным интервалам с учетом частных циклов перемагни-чивания стали магнитопровода ТТ. Этот метод получил дальнейшее развитие в [79], где была дана уточненная методика расчета по последовательным интервалам с использованием правил Ма-делунга для графического построения частных циклов и наиболее точного учета нелинейности свойств стали магнитопровода. Есть основания считать этот метод расчета наиболее точным из числа известных.
      В дальнейшем в нашей стране и за рубежом были предложены упрощенные методы расчета и переходных процессов в ТТ, основанные на разных способах аппроксимации основной кривой намагничивания стали (методы спрямленной и прямоугольной кривых намагничивания и др. [42]), на использовании особенностей физического процесса в магнитопроводе ТТ (методы упорядоченного наложения и обобщенных характеристик [79, 91, 93, 97]). Большое внимание в последние годы уделяется применению ЭВМ для расчёта переходных процессов в ТТ. Важно отметить, что независимо от метода расчета является установленным тот факт, что погрешности в переходных режимах ТТ с замкнутым магнито-проводом, специально не предназначенных для работы в этих режимах, достигают недопустимых значений, что приводит в некоторых случаях к отказам релейной защиты, замедлению действия или ложным срабатываниям.
      Особенно неблагоприятное положение возникает при относительно большой постоянной времени затухания апериодической составляющей тока к. з. (7\ 0,1 с) и наличии остаточной индукции в магнитопроводах ТТ. При этих условиях, например, токовая погрешность ТТ может достигать 80—90°. Целесообразность применения в таких условиях обычных ТТ с замкнутым магнитопроводом является вообще сомнительной.
      В связи с отмеченным подробное рассмотрение упомянутых методов расчета теряет актуальность. В тех случаях, когда требуется рассчитать погрешности ТТ с замкнутым магнитопроводом в переходных режимах с учетом значительной постоянной времени ТТ и других неблагоприятных условий, могут быть использованы соответствующие литературные источники. Пониманию
      общих закономерностей работы ТТ в переходных режимах будут помогать сведения, изложенные выше в данной главе.
      Поэтому в настоящей книге в отличие от ее предыдущего издания [97] упомянутые методы расчета не рассматриваются. Вместе с тем далее излагаются методы линеаризации характеристик ТТ в переходных режимах при упомянутых неблагоприятных условиях.
      ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА С УЧЕТОМ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ
      Обзор принципов выполнения ТТ. Как уже отмечалось в § 3-5, трансформаторы тока с замкнутым ферромагнитным магнитопрово-дом, предназначенные для работы в установившихся режимах, в первые периоды тока к. з. при наличии в первичном токе апериодической составляющей могут иметь весьма большую погрешность. Применение этих трансформаторов в системах быстродействующей защиты иногда приводит к недопустимому снижению технического уровня этих систем. Это привело к необходимости разработки новых ТТ, обеспечивающих допустимые для релейной защиты погрешности как в установившихся, так и в переходных режимах; областью применения таких ТТ должны считаться устройства релейной защиты, для которых по принципу их действия требуется достаточно точная трансформация периодической составляющей первичного тока (с погрешностью, не большей 10 %) при постоянной времени первичной цепи. Решение этой задачи возможно на основе использования новых методов. В гл. 9 описаны оптоэлектронные ТТ, имеющие перспективу применения в ряде случаев вместо электромагнитных ТТ. Определенный интерес представляют также предложения об использовании радио- и лазерной техники, высоковольтных конденсаторов для связи токоизмерительных устройств с потенциалом Земли и некоторые другие (см. гл. 10). Однако применение ТТ, основанных на новых принципах, сдерживается трудностью выполнения требований, предъявляемых к ним в отношении точности, надежности и выходной мощности.
      Задача создания новых ТТ успешно решается и на основе электромагнитного принципа. Можно предполагать, что и после промышленного освоения ТТ, использующих другие принципы,
      электромагнитные ТТ, предназначенные для работы в переходных режимах, будут иметь свои предпочтительные области применения, определяемые некоторыми их качествами (простотой, высокой надежностью, большой отдаваемой мощностью).
      Методы улучшения работы электромагнитных ТТ в переходных режимах можно несколько условно разделить на четыре группы, в основу которых положены следующие способы ограничения погрешностей: 1) создание путей для апериодической составляющей первичного тока помимо ветви намагничивания ТТ; 2) увеличение магнитной проницаемости магнитопровода в режиме насыщения; 3) устранение или снижение остаточной индукции в магнитопроводе; 4) ограничение максимальной рабочей индукции в магнитопроводе ТТ и уменьшение магнитной проницаемости.
      Методы первой группы могут быть реализованы с помощью внешних по отношению к ТТ устройств (предвключенных либо послевключенных), например индуктивностей, воздушных ТТ [36], активно-реактивных фильтров. Все эти устройства содержат элемент с небольшим сопротивлением для апериодической составляющей первичного тока, шунтирующий ветвь намагничивания ТТ. Достоинством внешних устройств является возможность их использования с существующими трансформаторами без изменения конструкции последних. Однако эти меры только частично снижают влияние апериодической составляющей, не устраняют влияния остаточной индукции и добавляют еще одну ступень в преобразовании тока, усложняющую конструкцию ТТ. Предвключенные устройства, которые являются более эффективными из относящихся к первой группе, затрудняют, кроме того, достижение необходимой для измерительных целей точности. Указанные недостатки в еще большей степени присущи после-включенным устройствам. Поэтому методы данной группы не позволяют создать рациональную конструкцию новых ТТ с высокими техническими показателями. Вместе с тем применение внешних устройств с уже эксплуатируемыми ТТ может быть приемлемым.
      Методы второй группы вытекают из неизбежности насыщения замкнутого ферромагнитного магнитопровода ТТ в переходных режимах. В связи с этим предлагалось [33] применять для маг-нитопроводов ТТ горячекатаную либо другую сталь (кривая 2 на рис. 4-1) с большей, чем у холоднокатаной (кривая ), магнитной проницаемостью в режиме насыщения. В магнитопроводах из такой стали остаточная индукция тоже меньше.
      Применение стали 1211 вместо 3411, например поданным [33], позволяет снизить погрешности ТТ при прочих равных условиях на несколько процентов. Этот способ снижения погрешности прост и экономичен, однако малоэффективен. Более эффективным, но и более сложным способом является создание специальной стали [112], например характеризующейся кривой 3 на рис. 4-1. Од-
      нитопроводом. При этом, очевидно, снижается и результирующая магнитная проницаемость магнитопровода.
      Трансформатор с зазорами занимает промежуточное положение между обычным ТТ с замкнутым стальным магнитопроводом и трансформатором без стали. По сравнению с последним ТТ с зазорами позволяет получить значительно большую мощность. Однако при заданной погрешности она меньше, чем у ТТ с замкнутым стальным магнитопроводом, а при заданной мощности погрешности будут больше. В отличие от упомянутых выше методов первой группы использование магнитопровода с зазорами не добавляет ступени преобразования тока, остаточная индукция устраняется практически полностью и при соответствующем выборе зазора и сечения обеспечивается независимость погрешностей ТТ от первичного тока. При небольшом усложнении схемы и конструкции погрешности такого ТТ можно сделать незначительными и практически независимыми от нагрузки.
      Разумеется, трансформаторы тока с зазорами в магнитопрово-дах могут работать и в нормальных режимах. Однако, если не принимается специальных мер для ограничения погрешностей ТТ, точность их работы в этих режимах будет ниже, чем у ТТ с замкнутым стальным магнитопроводом. В простейшем случае при сплошных зазорах в магнитопроводе погрешности ТТ возрастают с увеличением тока намагничивания. Вместе с тем, если кривая намагничивания ТТ практически линейна, то его токовая и угло вая погрешности постоянны, ввиду чего они могут быть учтены при выборе уставок устройств релейной защиты и автоматики. Для подключения же измерительных приборов, .для которых требуется более высокая точность преобразования тока, такие ТТ с зазорами обычно не предназначаются.
      ТТ с зазором в Советском Союзе были впервые предложены И. Д. Кутявиным [56, 57 ]. В дальнейшем теория и методы расчета этих трансформаторов были развиты в работах [72, 79, 80, 81, 87].
      Выполнение ТТ с зазорами. Если ТТ предназначается для работы в переходных режимах, необходимо прежде всего принять меры к устранению влияния остаточной индукции. Это позволяет удовлетворить требования в отношении погрешностей при существенно уменьшенном сечении магнитопровода по сравнению с замкнутым магнитопроводом. Однако оптимальный зазор при обычно задаваемой погрешности ТТ отличается от необходимого для устранения остаточной индукции [87].
      Для выбора выполнения ТТ с зазором воспользуемся кривыми рис. 4-2. Как уже указывалось, при едоп == 13 % минимальная кратность увеличения сечения т « 8. Это достигается при определенном зазоре в магнитопроводе, обеспечивающем необходимое значение Т. Таким образом, при увеличении сечения магнитопровода с идеализированной кривой 1 (см. рис. 4-1),
      скадного ТТ. Поэтому для разделения погрешностей между ступенями целесообразно пользоваться соотношением (4-25), так как это упрощает расчет ТТ.
      Разделение погрешностей между ступенями следует проводить таким образом, чтобы обеспечить оптимальную конструкцию каскадного ТТ в целом. При этом необходимо иметь в виду следующее. Верхняя ступень ТТ работает в наиболее тяжелых по сравнению с остальными ступенями условиях. Это обусловлено в основном двумя факторами. Во-первых, верхняя ступень воспринимает полный первичный ток, апериодическая составляющая которого затухает с постоянной времени Тх, определяемой параметрами сети. Во-вторых, верхняя ступень нагружена не только сопротивлением внешней нагрузки z2II, но и сопротивлением обмоток последующих ступеней. Последнее может быть соизмеримо с величиной z2H, а в некоторых случаях может и превышать ее. Последующая ступень находится в более легких условиях по сравнению с верхней. Первичным током для нее является вторичный ток верхней ступени, апериодическая составляющая которого затухает с постоянной времени, более чем на порядок меньшей постоянной Тх. Кроме того, она нагружена меньшим сопротивлением. В самых легких условиях работает нижняя ступень каскадного трансформатора тока.
      Учитывая, что площадь сечения магнитопровода при прочих равных условиях примерно обратно пропорциональна погрешности, для облегчения конструкции верхней ступени, работающей в более тяжелых условиях, допустимую погрешность каскада целесообразно распределить между ступенями таким образом, чтобы погрешность верхней ступени была возможно большей. С другой стороны, слишком малая погрешность нижней ступени тоже нежелательна, так как может привести к чрезмерному увеличению сечения магнитопровода нижней ступени и вызвать определенные трудности при ее конструировании, которые усугубляются при большом числе магнитопроводов (до пяти).
      Анализ результатов расчета и конструирования линейных двухступенчатых каскадных ТТ показал, что полную погрешность нижней ступени 1“, следует принимать не более (2—3).
      Погрешность верхней ступени определяется соотношением (4-25). Определив допустимые погрешности ступеней, можно перейти непосредственно к определению их конструктивных параметров в соответствии с положениями, изложенными выше.
      Емкостная корректирующая цепь. Требования высокого класса точности, необходимого для работы измерительных систем, и обеспечения допустимой погрешности в переходных режимах для релейных защит и систем автоматики противоречивы: для выполнения первого из них необходима высокая проницаемость магнитопровода, второго — существенное снижение ее для того, чтобы уменьшить сечение до приемлемых размеров. В случае некаскадных ТТ это противоречие легко устраняется выполнетем неоптимальное решение с учетом переходных режимов может оказаться не только несовершенным, дорогим, но и вообще технически не осуществимым, например из-за больших габаритов и массы ТТ. Такое положение потребовало новых методов создания и проектирования ТТ, основанных на использовании современных средств вычислительной техники.
      Существуют хорошо известные классические методы синтеза электрических цепей, позволяющие находить оптимальные решения. Они принципиально могут обеспечить не только параметрическую, но и структурную оптимизацию. Однако их применение в данном случае не представляется возможным вследствие жестких ограничений на структуру и параметры ТТ. Поэтому целесообразно принять следующий общий путь создания и проектирования ТТ.
      На первом этапе из совокупности физических эффектов, использование которых возможно для построения ТТ, выбирается наиболее полно обеспечивающий реализацию предъявляемых к ТТ требований.
      На втором этапе проектирования обосновывается принцип работы и выбирается структура ТТ. Этот этап с некоторой условностью можно назвать этапом структурной оптимизации. Задача состоит в том, чтобы среди возможных решений выбрать такое, при котором ТТ имеет простейшую структуру, требует минимального числа элементов, минимальных затрат и, самое важное, обеспечивает необходимую точность передачи информации. Эта задача, как и предыдущая, в настоящее время не может быть формализована и поручена ЭВМ. Для ее решения применительно к ТТ нами использовались результаты, полученные выше, в частности набор ТТ для различных условий работы (ТРХ, ТРУ, ТР, ТРХУ) , корректирующие цепи (например, ЕКЦ), место их присоединения и другое.
      Третьим этапом является определение параметров ТТ выбранной структуры. Задача может решаться вручную. При этом осуществляется поиск одного какого-либо варианта (обычно неоптимального), удовлетворяющего техническим требованиям. Однако в случае ТТ сложной структуры более успешно она может решаться на ЭВМ как задача параметрического синтеза. Подробно эта задача рассмотрена в [96].
      Поскольку решения, принятые на первом этапе создания ТТ, обычно не меняются, процесс синтеза ТТ с оптимальными характеристиками сводится, по сути, к итеративному решению двух
      ТРХ — преобразователь с замкнутым магнитопроводом с нормированными характеристиками в динамическом режиме; ТРУ — преобразователь с минимальным зазором в магнитопроводе; ТР — преобразователь с магннтопрово-дом с зазором, который обеспечивает линейность преобразования во всех режимах работы.
      Суммарный поток в магнитопроводе Ml за промежуток времени от до 4. когда переменная и постоянная составляющие магнитного потока имеют одинаковое направление, практически остается неизменным. Изменение магнитного состояния этого магнитопровода за один полупериод характеризуется участком цикла АоА2Ао¦ В магнитопроводе Ml в этот же полупериод направление переменной и постоянной составляющих магнитного потока противоположное и, следовательно, изменение суммарного магнитного потока в этом магнитопроводе характеризуется участком частного цикла.
      Для того чтобы магнитное состояние магнитопровода Ml, характеризуемое в момент времени tx точкой А0, изменилось и точка Ад перешла в точку частного цикла Alt а затем в Л2, А3 и т. д., м. д. с. постоянного тока намагничивающая ма-гнитопровод до точки Ад, должна уменьшиться практически до нуля. Уменьшение этой м. д. с. произойдет при возникновении в цепи вторичных обмоток w2 переменного тока t2. Этот ток определяется переменным напряжением щ и зависит от динамической проницаемости материала магнитопровода в соответствующих точках частного цикла перемагничивания.
      М. д. с. i2w2 стремится скомпенсировать м. д. Однако вследствие потерь полная компенсация для магнитопровода Ml наступает лишь дважды за полупериод вторичного тока, а именно в моменты времени 2 и t3. Для этих моментов — i2w2 = 0. В остальные моменты времени в продолжение рассматриваемого промежутка в магнитопроводе Ml действует разность м. д. с. i1w1 — i2w2 = Fg. Под действием этой м. д. с. F0 в магнитопроводе Ml возникает изменяющаяся магнитная индукция.
      В реальном магнитопроводе, как и в идеальном, синусоидальное переменное напряжение и2 в одни и те же промежутки времени неодинаково распределяется между обеими вторичными обмотками, поскольку их индуктивные сопротивления различны. Индуктивное сопротивление вторичной обмотки, наложенной на магнитопровод М2, очень мал<^ так как в этом магнитопроводе в рассматриваемый отрезок времени изменение суммарной индукции незначительно. Индуктивное сопротивление вторичной обмотки, наложенной на магнитопровод Ml, в это же время велико. Поэтому практически все напряжение «2 оказывается приложенным ко вторичной обмотке, находящейся на первом магнитопроводе.