1.3. Многовитковые трансформаторы тока
При малых первичных токах (ниже 400 А) для получения высокого класса точности применяются многовитковые ТТ. Чем меньше номинальный ток, тем, очевидно, большее число витков должна иметь первичная обмотка.
Конструктивно многовитковые трансформаторы тока сложнее одновитковых. Наличие нескольких витков в первичной обмотке усложняет конструкцию и затрудняет обеспечение необходимой устойчивости аппарата по отношению к электродинамическим силам при коротких замыканиях.
По форме первичной обмотки и её расположению относительно сердечника многовитковые ТТ подразделяют на катушечные и звеньевые, по способу крепления — на опорные и проходные, по виду изоляции — с литой изоляцией и маслонаполненные.
На рис. 1.4 показан многовитковый трансформатор тока ТПЛ-10 (Т —
трансформатора тока, П — проходной, Л — с литой изоляцией, на напряжение 10 кВ). На прямоугольном шихтованном магнитопроводе 1 расположена вторичная обмотка 2. Первичная обмотка 3 выполняется из медной шины. Первичная обмотка выведена на контакты 5, вторичная — на контакты 6. Все детали ТТ залиты эпоксидным компаундом 4.
Рис. 1.4. Трансформатор тока ТПЛ-10 с двумя сердечниками
При напряжении 35 кВ и выше для открытых установок применяются ТТ с масляной изоляцией. Наиболее распространены ТТ звеньевого типа, рис. 1.5. Три тороидальных магнитопровода 1 со вторичными обмотками 2 охвачены первичной обмоткой 4, выполняемой мягким многожильным проводом.
Первичная обмотка обычно имеет несколько параллельных ветвей (на рис. 1.5 две ветви). При переходе с параллельного соединения на последовательное первичный номинальный ток трансформатора уменьшается в 2 раза.
Рис. 1.5 ТТ звеньевого типа
Рис. 1.6. ТТтипаТФН-35
Первичная и вторичная обмотки изолируются кабельной бумагой 5 . После наложения изоляции магнитопровод с обмотками крепится к основанию ТТ с помощью лап 3. К этому же основанию крепится фарфоровый кожух, который защищает обмотки от воздействий окружающей среды. Внутренняя полость ТТ после вакуумной сушки заполняется трансформаторным маслом. Масло пропитывает кабельную бумагу и заполняет все пустоты. Такие ТТ выполняются на напряжение до 220 кВ. Общий вид
АО «Электроаппарат», г. С.-Петербург, выпускают новое поколение измерительных трансформаторов тока — ТГФ (Г — с элегазовой изоляцией) на напряжения ПО и 220 кВ, рис. 1.7 и 1.8.
Трансформатор тока ТГФ — наружной установки, с элегазовой изоляцией, в фарфоровой покрышке, пожаробезопасен, герметичен, не требует постоянного обслуживания в течение всего срока службы и предназначен для использования вместо трансформаторов тока с бумажно-масляной изоляцией. В настоящее время разработана покрышка из полимерных материалов.
Номинальный первичный ток при напряжении 110 кВ — от 100 до 2000 А; 220 кВ-от 600 до 3000 А.
Рис. 1.7. XT ТГФ-ПО | Рис. 1.8ТТТГФ-220 |
Рис. 1.9. Двухступенчатый каскадный ТТ: а — принципиальная схема; б — общая компоновка |  |
Недостатком каскадного ТТ является увеличение погрешности из-за увеличения сопротивления обмоток.
Катушечный трансформатор — ток — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2
Катушечный трансформатор — ток
Cтраница 2
В цепях напряжением до 1000В применяют катушечные трансформаторы тока. [17]
В цепях напряжением до 1 кВ применяют катушечные трансформаторы тока ( ТК) простой конструкции, состоящие из магнитопровода, на который наложены первичная и вторичная обмотки. [18]
В установках напряжением 1 — 3 кв применяются катушечные трансформаторы тока типа ТКФ или ТКМ. [20]
Для внутренних установок напряжением ниже Л 000 в применяют катушечные трансформаторы тока
Для измерения тока и питания схем защиты в сетях напряжением до 1000 В применяют катушечные трансформаторы тока ТК и другие с хлопчатобумажной изоляцией. [23]
Переход ко все более высоким напряжениям и потребность в аппаратах для наружной установки обусловили при конструировании трансформаторов тока повторение того пути, который был уже пройден конструкциями силовых трансформаторов: катушечный трансформатор тока погружался в бак с маслом или заливался в баке компаундом. [25]
Катушечная конструкция ТКЧ2 проста и экономична. Однако недостатки, свойственные катушечным трансформаторам тока, проявляются здесь еще в большей степени, чем при промышленной частоте. [27]
Проходные трансформаторы тока могут снабжаться одной или двумя вторичными обмотками ( каждая из которых имеет отдельный стальной сердечник), обеспечивающими разные классы точности. На рис. 2.14 показан разрез проходного многовиткового трансформатора ТПФМ-10 на 10 кВ и общий вид катушечного трансформатора тока для внутренней установки. [28]
Проходные трансформаторы тока могут быть снабжены одной или двумя вторичными обмотками, имеющими каждая отдельный стальной сердечник и обеспечивающими разные классы точности. На рис. 2.23 показан разрез проходного многовиткового трансформатора ТПФМ-10 на 10 Кб и общие виды
Трансформаторы тока для внутренней установки изготовляют различных типов: катушечные, проходные, шинные и др. Наиболее распространенными в РУ 6 и 10 кВ являются проходные трансформаторы тота типов ТПЛ и ТПОЛ, используемые одновременно в качестве проходных изоляторов при проходе ошиновки РУ через стены и перегородки. В установках большой мощности применяют трансформаторы тока с литой изоляцией шинного типа ТШЛО и ТШЛ. В установках до 3 кВ применяют катушечные трансформаторы тока с литой изоляицей ТКЛ-3 от 5 до 600 А. [30]
Страницы: 1 2 3
Пояс Роговского — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Схема использования пояса Роговского, подключённого к интегрирующей цепи, для измерения амплитуды импульса тока i(t)Пояс Роговского (катушка Роговского) — измерительный трансформатор тока, выполненный в виде длинного замкнутого соленоида с произвольной и практически замкнутой формой и равномерной намоткой, один из выводов которой приведён к другому через ось соленоида. Назван в честь немецкого физика Вальтера Роговского.
В ненагруженном поясе Роговского электродвижущая сила пропорциональна изменению тока I(t) в объекте измерения:
- ε(t)=LN⋅dI(t)dt,{\displaystyle \varepsilon (t)={\frac {L}{N}}\cdot {\frac {dI(t)}{dt}},}
где L — индуктивность, N — количество витков.
Конструкция катушки Роговского представляет собой трансформатор тока с воздушным сердечником. Хорошо подходит для измерения пульсаций тока в присутствии постоянной составляющей и вообще для измерения токовых импульсов.
Необработанный выходной сигнал пропорционален производной тока в первичной цепи по времени и для восстановления сигнала, пропорционального току, необходимо применить интегратор или фильтр нижних частот.
Катушка наматывается на воздушный сердечник такого размера, чтобы через его отверстие могла быть пропущена шина с измеряемым током. Чтобы уменьшить паразитные ёмкости, витки должны быть намотаны с равными расстояниями друг от друга и в одну сторону. Для исключения влияния витка, создаваемого самой катушкой её конец возвращают к началу, прокладывая вдоль окружности тороида. В связи с тем что выходное напряжение обычно мало́, как правило, катушку экранируют от электрических помех. Экран при этом не должен образовывать короткозамкнутого витка. Выводы катушки должны быть также экранированы, причём один из выводов должен быть соединён с экраном и заземлён.
Выходной сигнал катушки Роговского можно проинтегрировать с помощью простой RС-цепи, образующей фильтр низких частот, а можно использовать операционный усилитель. Преимуществом RС-фильтра является отсутствие необходимости его дополнительного питания, а недостатком — очень маленький сигнал на низких частотах. Хотя на рисунке и изображён тороид, в продаже встречаются катушки Роговского, выполненные в виде тонкого длинного соленоида, который при работе обвивают и фиксируют вокруг проводника с контролируемым током.
Катушки Роговского практически не чувствительны к магнитным полям, имеющим постоянную амплитуду в пределах расположения катушки. А вот градиент магнитного поля, если он меняется во времени, создает ложные сигналы. Для их уменьшения следует делать катушку настолько малых размеров, насколько позволяют остальные элементы конструкции. Калибровка катушки Роговского выполняется на частоте 50 или 60 Гц. При этом, конечно, полоса частот фильтра или интегратора должна доходить до этих значений.
Катушка Роговского, как трансформатор тока, находит применение в измерительной технике, в том числе в качестве измерительного элемента в счётчиках электрической энергии. Катушка Роговского незаменима при необходимости измерения высоких значений токов, а также полезна если требуется создать гальваническую развязку между измеряемой цепью и измеряющим устройством. Выходное напряжение, будучи проинтегрированным по времени, с точностью до константы соответствует току в измеряемой цепи.
- IEEE C37.235-2007 Application Of Rogowski Coils Used For Protective Relaying Purposes
Катушки Роговского – реальная альтернатива традиционным ТТ
Вместе с тем, эксплуатация вышеупомянутых датчиков тока является более «продвинутой», поскольку они: обладают необходимой точностью измерений во всех режимах работы; имеют линейные рабочие характеристики; обладают компактными размерами и весят во много раз меньше «традиционных» ТТ. Такие датчики тока имеют низкое напряжение выходного сигнала в нормальном режиме работы, а при повреждениях это напряжение не превышает допустимых безопасных пределов. Современные катушки Роговского, речь о которых пойдет в настоящей статье, обеспечивают требуемую точность как для целей защиты, так и для целей учета электроэнергии.
Но обо всем по порядку.
1 Конструкция
В катушках Роговского используются те же самые принципы работы, что и в традиционных трансформаторах тока с металлическим сердечником. Основное отличие заключается в том, что намотка катушки Роговского осуществляется на немагнитный сердечник, результатом чего является линейность характеристики, поскольку сердечник не насыщается.
Однако, в отличие от традиционных ТТ, вторичный ток которых пропорционален первичному току, выходное напряжение катушек Роговского является масштабированной производной по времени di(t)/dt первичного тока. Для устройств защиты, которые используют в работе аналоговые значения промышленной частоты, необходима дополнительная обработка входного сигнала от датчиков тока, а микропроцессорное оборудование должно иметь конструктивную возможность принимать сигналы такого типа.
Катушки Роговского классифицируются как маломощные токовые датчики, а требования к ним определяются стандартами IEC и IEEE.
Стандарт IEEE C37.235-2007 содержит руководящие указания по применению катушек Роговского для релейной защиты.
Конструктивно обмотки высокоточных катушек Роговского выполнены в виде многослойных печатных плат из немагнитного материала. По этой причине взаимная индукция между первичной и вторичной обмотками очень мала, и на измерения могут повлиять внешние электромагнитные поля. Следовательно, для создания качественных токовых датчиков должны выполняться два основных критерия:
- выходной сигнал не должен зависеть от положения первичного проводника в пределах витка обмотки;
- влияние близлежащих проводников, по которым протекают большие токи, на выходной сигнал должно быть минимальным.
Для выполнения первого критерия взаимоиндукция должна иметь постоянное значение при любом положении первичного проводника в пределах витка обмотки. Этого можно достичь при следующих условиях:
- намотка обмотки выполняется на сердечник с одинаковым поперечным сечением по всей его длине;
- намотка осуществляется перпендикулярно оси замкнутой окружности и при условии постоянной плотности намотки.
Также, датчики тока должны бать двух исполнений: с замкнутым сердечником и с разомкнутым сердечником. Наличие второго исполнения позволяет устанавливать катушки без размыкания (отключения, разрезания) главных цепей. Такие типы также подходят для установки на несколько проводов, либо для установки на шины большого сечения. На рис. 1 показано несколько вариантов конструктивного исполнения катушек Роговского.
Рис. 1. Варианты конструкции катушки Роговского.Катушки Роговского можно подключить к реле защиты с помощью экранированной витой пары и соответствующих разъемов. Это обеспечивает простоту установки и предотвращает ошибки при подключении оборудования. Клеммные блоки не требуются, поскольку напряжение выходного сигнала катушки является минимальным с точки зрения безопасности. Кроме того, это напряжение не увеличивается при размыкании вторичной обмотки. Суммирующий блок обеспечивает электрическое сложение сигналов от двух секций катушки Роговского и передает этот суммарный сигнал в реле защиты. Такие датчики также можно подключать к устройствам защиты с помощью оптоволоконных кабелей.
В настоящее время идет работа над международным стандартом IEC 61869, который позволит определить стандартные требования к конструкции датчиков тока и их применению, например, к классу точности и стандартам вторичных сигналов. Стандарт IEC 61869 будет способствовать лучшему пониманию технологий, оказывать поддержку и увеличивать степень доверия к эксплуатируемым устройствам. При правильном подходе к разработке стандартов нетрадиционные ТТ могут обладать характеристиками, удовлетворяющими требованиям как со стороны системы учета электроэнергии, так и со стороны комплексов РЗА. Другим направлением деятельности МЭК является разработка стандарта IEC 61869-13: независимый модуль сопряжения (Stand-Alone Merging Unit — SAMU). Этот стандарт также будет оказывать поддержку и увеличивать степень доверия к эксплуатируемым датчикам тока.
2 Установка
При установке катушек в процессе модернизации соответствующих систем на подстанции не требуется вносить никаких изменений в существующую первичную схему электрических соединений. Для ввода модернизированной системы требуется минимальное время вывода соответствующих цепей из работы. На рис. 2 приведены несколько примеров установки катушек Роговского:
Рис. 2. Примеры установки катушек Роговского.(a)и(b)—для дифференциальной защиты силовых трансформаторов дуговой электропечи;
(с) — катушка охватывает несколько проводников;
(d)—катушка охватывает проводники большого сечения;
(e)и(f) — для дифференциальной защиты силовых кабелей;
(g) — катушка охватывает ввод силового трансформатора для организации дифференциальной защиты;
(h)—для организации дифференциальной защиты батарей конденсаторов.
3 Преимущества и особенности
Катушки Роговского обладают современными рабочими характеристиками, однако, при проектировании необходимо понимать и учитывать некоторые их особенности.
Преимущества:
- Один и тот же датчик тока может удовлетворять предъявляемым требованиям в широком диапазоне протекающих токов, а также обеспечивать показатели точности, необходимые как для учета электроэнергии, так и для релейной защиты. Это существенное преимущество над традиционными ТТ, потому что для соответствия требованиям, предъявляемым со стороны защиты и измерительного оборудования может потребоваться установка нескольких ТТ различного класса точности и с разными коэффициентами трансформации.
- Катушки Роговского можно проектировать для преобразования сигналов с высокой частотой (в МГц диапазоне), что позволяет реализовывать системы РЗА на основе волновых методов (метод «бегущей волны»).
- Катушки имеют хорошую совместимость с комплексами РЗА, построенными на базе современных коммуникационных систем согласно стандартам IEC 61850.
- Катушки Роговского можно комбинировать с существующими традиционными ТТ. Например, при модернизации систем РЗА один полукомплект дифференциальной защиты может быть подключен к традиционному ТТ, а второй — к датчику тока.
- Небольшой вес и размеры, что позволяет проектировать распредустройства более компактных размеров и меньшей массы.
- Датчики более безопасны для персонала и оборудования, поскольку выходные сигналы находятся в безопасных диапазонах (порядка нескольких вольт) в любых режимах работы, включая повреждения в энергосистеме.
- Легкость установки благодаря конструкции, состоящей из отдельных секций, как следствие, не требуется вносить изменения в существующую схему электрических соединений, а также разрезать или разъединять первичный провод.
- Из-за того, что выходной сигнал катушек Роговского маломощный и низковольтный, вторичные сигналы можно передавать по экранированной витой паре с необходимыми разъемами. Это помогает предотвратить ошибки подключения.
- Время простоя при установке датчиков тока в существующие электроустановки будет минимальным или отключение не понадобится совсем.
- Катушки Роговского безопасны для окружающей среды, поскольку в них не используется масляная или газовая изоляция.
Вместе с тем, необходимо учитывать следующие факторы:
- Технический персонал хорошо знаком с традиционными технологиями, но не настолько хорошо знаком с датчиками тока.
- Выходной сигнал катушки Роговского — это низковольтный сигнал. Фазовый угол между вторичным напряжением и первичным током составляет 90°. Этот фазовый угол необходимо учитывать при проектировании комплексов РЗА.
- Катушки Роговского являются частотно-зависимыми устройствами. Они усиливают более высокие частоты с линейной зависимостью между выходным сигналом катушки и частотой, вызывая усиление гармоник по гармоническому порядку. Корректный учет значений гармонических составляющих в схемах защиты может быть получен путем простого деления записанных гармоник на гармонический порядок.
- Высокочастотные явления, такие как удары молний или высокочастотные импульсы напряжения, возникающие при коммутационных операциях в КРУЭ, могут наводить во вторичной обмотке катушки Роговского маломощные высоковольтные сигналы. Эти сигналы эффективно подавляются собственной емкостью существующих вторичных контрольных кабелей или при использовании полупроводниковых ограничителей. На момент выхода настоящей статьи информация о таких отрицательных эффектах отсутствовала. В некоторых случаях высокочастотные импульсы могут попасть на входы устройства защиты. Когда это происходит, такие импульсы могут быть обработаны как протекание большого тока, что может привести к излишнему срабатыванию реле. Во избежание излишних срабатываний необходимо разработать специальные алгоритмы выявления подобных импульсов.
- Также необходимо применять специальные алгоритмы для обнаружения броска тока намагничивания при включении силового трансформатора. Традиционно во избежание ложных срабатываний защиты при включении силового трансформатора использовался метод торможения по второй гармонике. Однако, для некоторых мощных силовых трансформаторов этот метод не может обеспечить надежное формирование сигналов торможения по второй гармонике. В комплексах РЗА, где применяются рассматриваемые в этой статье катушки Роговского, используются алгоритмы, позволяющие надежно распознавать броски тока намагничивания трансформатора. Для этого анализируется форма выходного сигнала di(t)/dt катушки Роговского. Вместо анализа содержания второй гармоники в протекающем токе в этой методике используется контроль отдельных участков кривой тока намагничивания и их анализ. Для тока намагничивания скорость изменения тока небольшая (кривая di(t)/dt имеет плоские участки).
4 Примеры применения
В настоящее время в эксплуатации находится целый ряд комплексов РЗА, подтверждающих успешную и надежную работу с применением катушек Роговского, а срок эксплуатации составляет более 10 лет. Приведу несколько примеров.
Защита кабельных линий
Первая дифференциальная защита силового кабеля, где применяются катушки Роговского, была введена в эксплуатацию в 2010 году на комбинированной воздушно-кабельной линии 220 кВ. На каждом конце защищаемого силового кабеля установлено по три катушки Роговского и по одному реле защиты. Обмен данными между реле осуществляется по оптическим кабелям, как это показано на рис. 3.
Рис. 3. Дифференциальная защита силового кабеля высокого напряжения.Защита батарей конденсаторов
Первая дифференциальная защита батареи конденсаторов, в которой были применены катушки Роговского, была установлена в 2012 году (мощность БК 30 Мвар, наибольшее рабочее напряжение 60 кВ, конструкция звезда-звезда). Для этой схемы датчики установлены в каждом плече трехфазной батареи конденсаторов. Катушки Роговского спроектированы для работы на небольшом уровне напряжения изоляции, поэтому для работы на уровне испытательного напряжения 350 кВ катушки подключались к реле через систему оптических кабелей. Пусконаладочные проверки показали, что значения дифференциальных токов находятся на уровне 0,2 А, что подтверждает хорошие показатели системы (система симметрична). На примере этого комплекса РЗА также было подтверждена возможность обеспечить стойкость сигнала к электромагнитным помехам.
Совместная работа традиционных ТТ и катушек Роговского
Для организации релейной защиты силовых кабелей на каждом конце защищаемого кабеля требуется установить трансформаторы или датчики тока и одно реле (полукомплект). Такое «гибридное» решение на базе традиционных ТТ и катушек Роговского успешно подтвердило свою состоятельность. Проектирование и ввод в эксплуатацию первого «гибридного» комплекса РЗА было выполнено в 2017 г. В качестве функции защиты используется дифференциальная защита силовых кабелей длиной 13 км, которые соединяют КРУЭ с воздушными линиями класса напряжения 220 кВ. По всей длине силовых кабелей предусмотрены оптические кабели для организации связи.
Рис. 4. Комплекс РЗА на базе традиционных ТТ и катушек Роговского.Решения на базе протокола IEC 61850-9-2
Комплексы РЗА с применением шины процесса, определяемой стандартом IEC 61850-9-2, становятся все более распространенными, по всему миру уже имеется целый ряд реализованных решений такого рода. Катушки Роговского обладают техническими характеристиками, которые удовлетворяют требованиям, предъявляемым проектами на базе шины процесса и хорошо подходят для надежной работы в составе цифровых подстанций.
Рис. 5. Сравнение выходных сигналов катушки Роговского согласно IEC 61850-9-2 и вторичных сигналов лабораторных трансформаторов тока.На рис. 5 показано сравнение результатов испытаний, при которых моделировались повреждения в энергосистеме, для катушек Роговского и высокоточных лабораторных трансформаторов тока. Тестовые формы сигналов синхронизировались с помощью GPS. Восстановленный выходной сигнал катушки Роговского соответствовал аналоговым сигналам лабораторных трансформаторов тока.
