КАБЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА
Способы улучшения характеристик

Алексей Шалин, д.т.н.,
Антон Дехтерев,
Новосибирский государственный технический университет Михаил Ильиных, Владимир Сенченко, ООО «ПНП БОЛИД», г. Новосибирск

Измерительные трансформаторы тока используются для подключения электросчетчиков и других измерительных приборов в точках учета электроэнергии, относятся к масштабным преобразователям электроэнергии, являются средствами измерений и имеют нормированные метрологические характеристики.
Однако опыт работы сибирских ученых показал, что характеристики кабельных трансформаторов тока нулевой последовательности отечественного производства весьма далеки от совершенства. В своем материале новосибирские специалисты предлагают пути усовершенствования конструкции этих изделий.

Строго говоря, в соответствии с определением [1, 2] трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП) не являются трансформаторами тока в точном понимании этого термина, поскольку трансформатором тока называется такой трансформатор, в котором при нормальных условиях работы выходной сигнал является током, практически пропорциональным первичному току и при правильном включении сдвинутым относительно него по фазе на угол, близкий к нулю. В отечественных ТТНП это требование обычно не выполняется, поэтому их скорее можно назвать измерительными преобразователями или датчиками тока.
На рис. 1 показана зависимость от первичного тока коэффициента трансформации ТТНП типа ТЗЛК при подключении к нему в качестве нагрузки реле РТЗ-51, на рис. 2 – то же при подключении реле РТ-40/0,2 (РТ-140/0,2).
На рис. 3 приведена векторная диаграмма трансформатора тока, а выражения (1), (2) описывают погрешность по величине тока f и по углу d для этих трансформаторов.

Несовершенство отечественных ТТНП начинает проявляться еще на этапе проектирования. Известно, что в релейной защите первичный ток срабатывания I_СЗ и уставка реле I_СР связаны равенством:

I_СЗ = k_ТТI_СР ,        (3)

К большому сожалению специалистов, значение коэффициента трансформации изменяется в широких пределах (см. рис. 1, 2) не только при изменении нагрузки и первичного тока, но и от одного типа ТТНП к другому и даже в разных экземплярах. В результате, например, при известной уставке реле ток срабатывания защиты I_СЗ достаточно точно можно определить только опытным путем, пропустив дополнительный провод через окно ТТНП и поднимая в этом проводнике ток до срабатывания реле. Ясно, что это невозможно сделать на этапе проектирования, в результате чего проектантами ток срабатывания защиты может быть определен только приближенно, а вместе с ним невозможно точно определить, например, коэффициент чувствительности защиты от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) и некоторые другие важные характеристики этой защиты.
Например, для трех наугад взятых ТТНП типа ТЗЛМ при подключении к ним реле типа РТЗ-51 с минимальной уставкой срабатывания, равной 20 мА, мы получили опытным путем токи срабатывания в пределах 0,55…0,68 А, т.е. отличающиеся друг от друга примерно на 20%. При росте вторичной нагрузки эти различия токов срабатывания увеличивались. Например, при подключении к ТТНП реле РТ-40/0,2 (РТ-140/0,2) разница токов срабатывания достигала уже 45%.
Дело обстоит настолько плохо, что завод-изготовитель ТТНП даже не указывает в своих данных коэффициент трансформации k_ТТ. Ниже при определении погрешностей по величине тока f и по углу d в качестве k_ТТ принималось значение:

где v₁, v₂ – числа витков первичной и вторичной обмоток соответственно.
Для направленной токовой защиты от ОЗЗ, реагирующей на угол между напряжением и током нулевой последовательности, важно, чтобы угловая погрешность ТТНП была как можно меньше.
Кабельные трансформаторы тока нулевой последовательности отечественного производства и здесь не радуют. При малых токах (порядка десятых долей ампера, что соответствует току срабатывания некоторых современных защит от ОЗЗ) они могут дать в установившемся режиме угловые погрешности порядка 20–30 электрических градусов и больше. Это не дает возможности эффективно применять их, например, в защитах, реагирующих на активную составляющую тока ОЗЗ, поперечных направленных защитах нулевой последовательности в сетях напряжением 6–10 кВ, защитах, реагирующих на сопротивление и проводимость цепей нулевой последовательности, и т.д.

ПРОБЛЕМЫ

Судя по публикациям [3, 4], рассматриваемая проблема появилась в связи с тем, что в 30–50 гг. прошлого века, когда разрабатывались конструкции отечественных ТТНП, к ним можно было подключить только грубые электромагнитные реле, обмотки которых обладали сопротивлением в десятки Ом. Другой релейной техники просто не существовало. При этом основное требование к ТТНП заключалось в том, что эти трансформаторы должны быть способны обеспечить при ОЗЗ выдачу на реле такой мощности, которая достаточна для его срабатывания. Требование точности трансформации первичного тока ОЗЗ при этом отодвигалось на второй план.
Минимальный первичный ток срабатывания защиты от ОЗЗ, использующей реле РТ-40/0,2 при последовательном соединении обмоток реле и минимальной его уставке, равной 0,05 А, составлял примерно 6–9 А, что давало возможность использовать такую защиту в сетях с емкостным током не меньше 10 А [5].
В последнее время на отечественном рынке появились защиты от ОЗЗ, выполненные на разнообразной, в том числе микропроцессорной, элементной базе, вторичный ток срабатывания которых может составлять единицы миллиампер, а входное сопротивление – доли Ома. Однако конструкции ТТНП не изменились, что и вызвало необходимость в исследованиях, описанных в настоящей статье.

ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

Незначительно преобразовав заимствованные из [6] выражения, имеем:
токовая погрешность ТТНП f:

• использование при изготовлении магнитопроводов магнитных материалов с большей магнитной проницаемостью, чем применяемые в настоящее время (аморфное железо, некоторые марки феррита и т.д.);
• увеличение площади поперечного сечения магнитопровода;
• увеличение числа вторичных витков (повышение коэффициента трансформации);
• снижение вторичной нагрузки и т.д.

РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ТТНП

На рис. 4 изображена расчетная схема ТТНП, приведенная в [3, 7].
В [7] даны рекомендации принимать при расчетах защит от замыканий на землю значение сопротивления (приведенное к первичной цепи) для большинства неразъемных ТТНП, равным 10 Ом, для разъемных – в зависимости от типа 1…3,5 Ома.
Источником погрешностей трансформаторов тока является ток намагничивания Im. Чем большая часть первичного тока I^'₁ ответвляется в цепь намагничивания, тем больше погрешности f и D. Чем больше сопротивление цепи намагничивания Z_m по сравнению с сопротивлением вторичной цепи ТТНП Z_ВТ = Z₂ + Z_H, тем меньше погрешности и тем точнее работает ТТНП.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Поскольку большинство применяемых в настоящее время защит от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) реагирует на основную гармонику сигнала, именно сигналы частотой 50 герц регистрировались в процессе экспериментов. Вначале снимались вольт-амперные характеристики ТТНП E₂ = f(I₁). В процессе эксперимента по первичной обмотке ТТНП пропускался переменный ток практически синусоидальной формы, напряжение на разомкнутой вторичной обмотке записы- валось на осциллографе в цифровой форме. Уже при сравнительно небольшом первичном токе I₁ = I_mформа вторичного напряжения сильно отличалась от синусоидальной. Полученный на вторичной обмотке сигнал разлагался на гармонические составляющие, после чего фиксировался уровень и угловой сдвиг основной гармоники.
Проведенные нами (к сожалению, на ограниченном числе ТТНП) эксперименты показали, что в зависимости от протекающего тока и нагрузки сопротивление Z_m меняется в широких пределах. На рис. 5 приведена зависимость Z_m = f(I₁) для ТТНП типа ТЗЛК. Кривая 1 соответствует числу витков вторичной обмотки v₂ = 25, кривая 2 соответствует v₂ = 125. Сопротивление определялось следующим образом:

где E₅₀– значение основной гармоники напряжения на разомкнутой вторичной обмотке ТТНП.

Из рис. 5 видно, что замена реальной зависимости Z_m = f(I₁) постоянной величиной Z_m = const может привести к значительным погрешностям. Кроме того, очевидно, что с ростом числа витков вторичной обмотки v₂ значение сопротивления Z_m, как и следовало ожидать, заметно возрастает, что дает основание рассчитывать на значительное уменьшение погрешностей ТТНП.

На рис. 6, 7 приведены полученные экспериментальным путем зависимости погрешностей f и d при подключении к вторичной обмотке ТТНП реле РТЗ-51 (активное сопротивление по входу вместе с соединительными проводами порядка 0,7 Ом, индуктивное порядка 0,04 Ом). Из полученных зависимостей видно, что с увеличением числа витков v₂ погрешности f и d действительно заметно уменьшаются, хотя и не в зависимости от v₂ ², как можно было ожидать в соответствии с (3), (4). Это, по-видимому, объясняется тем, что с ростом v₂ увеличивается и сопротивление вторичной обмотки ТТНП Z₂, входящее в цепь нагрузки ТТНП.
С ростом сопротивления нагрузки Z_н погрешности растут и выигрыш за счет увеличения w2 возрастает, с уменьшением вторичной нагрузки уменьшаются погрешности и положительный эффект от увеличения v₂.
Рекомендуемые токи срабатывания некоторых современных защит имеют весьма низкое значение. Например, реле ЗЗН имеет три уставки по первичному току – 0,07 А; 0,25 А и 2,5 А. Отметим, что с точки зрения рационального проектирования такие большие «ступени» между имеющимися уставками едва ли можно считать оптимальными, поскольку расчетные значения токов срабатывания часто лежат между ними. Кроме того, в области малых токов, как видно из приведенных зависимостей, погрешности ТТНП могут оказаться весьма значительными.

Одним из традиционных способов снижения нагрузки на трансформаторы тока и соответствующего уменьшения погрешностей является подключение нагрузки к двум трансформаторам тока, вторичные обмотки которых включены последовательно (рис. 8).
Такое включение эффективно тогда, когда сопротивление нагрузки Z_H существенно превышает сопротивление вторичной обмотки Z₂ ТТНП. Для современных устройств защиты от ОЗЗ это условие далеко не всегда выполняется.
На рис. 9, 10 показаны погрешности по величине тока f и по углу d для ТТНП типа ТЗЛК при подключении нагрузки (реле РТЗ-51) к одному и двум последовательно соединенным ТТНП. Как видно из этих рисунков, при включении нагрузки по рис. 8 погрешности действительно уменьшаются, но незначительно.
Отметим, что импортные ТТНП, как правило, имеют коэффициенты трансформации минимум на порядок более высокие, чем отечественные. При этом их погрешности во много раз меньше. Однако это – тема отдельного разговора.
Темами отдельного исследования могут быть также конструкции разъемных ТТНП, характеристики которых еще хуже, чем у неразъемных. Известны конструкции некоторых зарубежных разъемных ТТНП, например, с накладками из магнитных материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью; эти накладки шунтируют воздушный зазор и обеспечивают низкие токи намагничивания и хорошие метрологические характеристики, однако отечественные производители не выпускают таких ТТНП.
Использование «пучков кабелей» (т.е. нескольких параллельно включенных под общие выключатели кабелей) и внедрение однофазных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена с большим сечением жил вызывает необходимость в производстве ТТНП, обладающих большими размерами окна в магнитопроводе (300–400 мм и более). Таких ТТНП не производят ни крупные отечественные, ни зарубежные производители, хотя в кустарных условиях такие трансформаторы тока в России уже изготавливаются. Защиты же, использующие отдельные ТТ, установленные на каждом кабеле, имеют существенные недостатки [8].

ВЫВОДЫ

1. Подавляющее большинство кабельных трансформаторов тока нулевой последовательности отечественного производства не соответствуют требованиям к метрологическим характеристикам и, строго говоря, являются лишь преобразователями или датчиками тока.
2. Низкое качество отечественных ТТНП тормозит развитие защит от замыканий на землю в России.
3. Для совершенствования ТТНП необходимо повысить их коэффициенты трансформации, применять при изготовлении магнитопроводов более качественные магнитные материалы и конструкции, увеличить сечение магнитопроводов и т.д.
4. Следует совершенствовать расчетные модели ТТНП, необходимые исследователям, проектантам и специалистам, связанным с эксплуатацией.
5. При разработке устройств защиты от однофазных замыканий на землю следует предусматривать возможность их работы при малых входных сигналах, а также плавного, без больших скачков изменения уставок.
6. Отдельного внимания требуют конструкции и параметры разъемных ТТНП и трансформаторов тока с большими (300–400 мм и более) размерами окна в магнитопроводе.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 7746-01. Трансформаторы тока. Общие технические условия. Введен в действие 01.01.2003.
2. Афанасьев В.В., Адоньев Н.М., Кибель В.М., Сирота И.М., Стогний Б.С. Трансформаторы тока. – Л.: Энергоатомиздат, 1989. – 416 с.
3. Сирота И.М. Защита от замыканий на землю в электрических системах/ Изд-во Академии наук Украинской ССР. – Киев, 1955. – 208 с.
4. Сирота И.М. Трансформаторы и фильтры напряжения и тока нулевой последовательности. – Киев: Наукова Думка, 1983. – 267 с.
5. Беркович М.А., Вавин В.Н., Голубев М.Л. и др. Справочник по релейной защите/ Под общей редакцией М.А. Берковича – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. – 512 с.
6. Васильев А.А., Крючков И.П., Наяшкова Е.Ф. и др. Электрическая часть станций и подстанций/ Под ред. А.А. Васильева – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.
7. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6–10 кВ. – М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001. – 104 с.
8. Шалин А.И., Хабаров А.С. Электродвигатели 6–10 кВ. Защита от замыканий на землю при подключении несколькими кабелями // Новости ЭлектроТехники. – 2007. – № 4 (46).