Трансформаторы тока нулевой последовательности для использования в схемах релейной защиты

В электрических системах, в особенности в сетях и установках с малым током замыкания на землю, возможные токи нулевой последовательности часто весьма невелики по сравнению с токами нормальной нагрузки. Тем более они не велики по сравнению с токами короткого замыкания между фаз.

Еще меньше должны быть расчетные токи нулевой последовательности при срабатывании различных устройств релейной защиты от замыкания на землю, защитного отключения и автоматики с учетом задаваемых коэффициентов чувствительности и запаса.

Токи нормальных нагрузок и междуфазных коротких замыканий могут создавать значительные токи небаланса в трансформаторах нулевой последовательности. Необходимость ограничения этих небалансов, являющихся для трансформаторов тока нулевой последовательности (ТТНП) основным видом помех, представляет основную трудность, которую приходится преодолевать при разработке и применении рассматриваемых устройств. Следует также иметь ввиду, что при небольших токах нулевой последовательности от ТТНП с приемлемыми конструктивными размерами может быть получена небольшая мощность, порядка долей В·А.

Получение заданной мощности тем труднее, чем больше номинальный рабочий ток контролируемой цепи. Это обусловлено необходимостью увеличения сечения первичных токопроводов и кабелей по условиям нагрева и соответственно – увеличения размеров окна магнитопроводов трансформаторов тока. А с увеличением окна при заданной мощности масса преобразователя резко возрастает.

Таким образом, появились определенные требования к трансформаторам тока нулевой последовательности, выполнение которых позволило бы производить точную отстройку защиты, учитывая большинство существенных паразитных явлений. Можно перечислить основные из них:

— коэффициент трансформации и чувствительность ТТНП должны позволять измерять токи различных диапазонов, включая малые токи от 100 мА

— максимальный ток небаланса ТТНП должен быть минимален и заранее известен

— мощность ТТНП должна быть регламентирована и заранее известна (влияние нагрузки погрешности при заданном коэффициенте трансформации)

Существующие предложения на рынке

В настоящее время наиболее распространены два варианта конструктивного исполнения трансформаторов тока нулевой последовательности:

— с тороидальным магнитопроводом разъемной и неразъемной конструкции, например ТЗЛК-НТЗ-0,66 и ТЗЛКР-НТЗ-0,66

— с магнитопроводом прямоугольной формы неразъемной конструкции, например ТЗЛК-НТЗ-0,66-100х490

Подобные ТТНП выпускают как все отечественные, так и зарубежные производители трансформаторов тока.

Наибольшее распространение получили кабельные ТТНП с коэффициентом трансформации равным 25/1 и 30/1. Малый коэффициент трансформации, в свое время, был принят для обеспечения условия передачи во вторичную цепь максимально возможной мощности, достаточной для срабатывания электромагнитного реле, типа РТ-40, РТ-140 и РТЗ-51.

Однако при таком малом коэффициенте трансформации токовая и угловая погрешности ТТНП, даже при весьма малом сопротивлении вторичной цепи, достигают больших значений, 10, 15 и даже 20% по токовой погрешности и до 30 электрических градусов по угловой.

В настоящее время выпускаются, в том числе и российскими производителями, ТТНП с большим витковым коэффициентом трансформации (например 100/1 или 470/1). Но стоит отметить, что и такие трансформаторы тока нулевой последовательности не сопровождаются данными о гарантированных токовых и угловых погрешностях в зависимости от сопротивления во вторичной цепи.

Также у существующих трансформаторов тока нулевой последовательности максимальный ток небаланса или никак не регламентируется, или имеет значения, не позволяющие делать точную отстройку защиты.

Возможное решение проблемы. Предложение на рынок

ООО «Невский трансформаторный завод «Волхов» совместно с ООО НПП «ЭКРА» разработали трансформатор тока нулевой последовательности, удовлетворяющий необходимым требованиям современной электроэнергетики в схемах защит от однофазных замыканий на землю.

Пример записи обозначения трансформатора тока нулевой последовательности, разъемного, предназначенного для работы совместно с микропроцессорным терминалом релейной защиты, с литой изоляцией, устанавливающегося на кабель, изготовленного по ТУ 3414-006-30425794-2012, на номинальное напряжение 660 В, с диаметром окна для кабеля 100 мм, с максимальной величиной токовой погрешности не более 5 % и угловой погрешности не более 20 электрических градусов, при сопротивлении вторичной нагрузки ТТНП не более 1 Ом, изготовленного с коэффициентом трансформации 100/1, в климатическом исполнении «У» и категории размещения 2 по ГОСТ 15150-69 при его заказе и записи в документации другого изделия:

Трансформатор тока нулевой последовательности

ТЗЛКР-НТЗ-0.66-100-5-1-100/1 У2 МЗ

ТУ 3414-006-30425794-2012

Основные характеристики ТТНП, предназначенных для работы в схемах микропроцессорной защиты от однофазных замыканий на землю

¹* Для экспортных поставок
²* Возможно изготовление трансформаторов с отличающимся номинальным первичным током
³* Допускается распространять для трехсекундного тока термической стойкости.

Преимущества разработанного ТТНП

Гарантированная максимально возможная величина тока небаланса, измеренная на заводе-изготовителе, вносится в паспорт на трансформатор.

Малая величина тока небаланса имеет первостепенное значение при малом ёмкостном токе замыкания на землю в сети, так как выбор уставки срабатывания защиты от ОЗЗ производится с учетом отстройки по току небаланса во вторичных цепях. У обычных ТТНП (даже с неразъемной конструкцией) ток небаланса достигает 0,6 А при 100% рабочего тока, что существенно затрудняет отстройку уставки срабатывания защиты от ОЗЗ.

Максимальный ток небаланса ТТНП типа ТЗЛК-НТЗ МЗ и ТЗЛКР-НТЗ МЗ, измеренный при 100% рабочего тока представлен в таблицах ниже.

Токи небаланса ТТНП типа ТЗЛК-НТЗ МЗ

Токи небаланса ТТНП типа ТЗЛКР-НТЗ МЗ

ТТНП обладает гарантированной величиной токовой и угловой погрешности при вторичной нагрузке до 3 Ом. Примеры результатов измерений токовых и угловых погрешностей ТЗЛК-НТЗ МЗ и ТЗЛКР-НТЗ МЗ отображены на диаграммах ниже.

Предельные токовые погрешности ТТНП типа ТЗЛК-НТЗ МЗ

Предельные угловые погрешности ТТНП типа ТЗЛК-НТЗ МЗ

Предельные токовые погрешности ТТНП типа ТЗЛКР-НТЗ МЗ

Предельные угловые погрешности ТТНП типа ТЗЛКР-НТЗ МЗ

ТТНП обладает высоким качеством изготовления продукции. Трансформаторы сохранили все массогабаритные параметры ТТНП, предназначенных для работы с электромеханическими реле, обладая при этом более широким спектром электрических и метрологических характеристик.

Массогабаритные характеристики ТТНП типа ТЗЛК-НТЗ МЗ и ТЗЛКР-НТЗ МЗ

Выводы

Предприятие ООО «Невский трансформаторный завод «Волхов» успешно разработало и внедрило в серийное производство трансформаторы тока нулевой последовательности кабельные с гарантированными токовыми и угловыми погрешностями, с нормированной нагрузочной характеристикой, с нормированными токами небаланса.

Предприятие разработало и применяет методику приемо-сдаточных испытаний трансформаторов тока нулевой последовательности, согласованную с ведущим производителем микропроцессорных терминалов РЗиА, гарантирующую необходимые для точной отстройки терминалов защиты от ОЗЗ.

Все необходимые параметры ТТНП, применяемые при отстройке защиты от ОЗЗ, указываются в паспорте на изделие.