Токтық трансформаторлар (ТТ) электр жүйелеріндегі өлшеу мен қорғаудың дәлдігін қалай жақсартады?

Қазіргі заманғы электр энергиясын өндіру жүйелерінде дәл өлшеу мен сенімді қорғау міндетті талаптар болып табылады — олар қауіпсіз, тиімді және үзіліссіз электрлік жұмыс істеудің негізгі қажеттіліктері. Бұл мүмкіндіктердің негізінде көрінісі бойынша шағын, бірақ өте маңызды құрылғы — ток трансформаторы жатыр. Ол жоғары кернеумен жабдықталған тарату қондырғыларында, өнеркәсіптік тарату панельдерінде немесе қолданысқа арналған есептеу жүйелерінде орнатылса да, ток трансформаторы қорғау релелері, энергия есептегіштері және бақылау жүйелері дәл өңдей алатындай қауіпсіз, басқарылатын екіншілік сигналдарға ірі біріншілік токтарды түрлендіруде шешуші рөл атқарады.

Ток трансформаторының өлшеу дәлдігі мен қорғаныс сенімділігін жақсартуын түсіну үшін оның жұмыс істеу принциптерін, конструкциялық параметрлерін, қолданылу контекстін және оның кеңірек қорғаныс пен есепке алу инфрақұрылымымен қалай байланысатынын қарастыру қажет. Бұл мақала ток трансформаторларының (ТТ) электр энергиясы жүйелеріндегі екі қызметін — өлшеу мен қорғанысты — қалай атқаратынын толық техникалық және практикалық талдауын ұсынады; сонымен қатар, кез келген ауқымды электр энергетикалық жобаның сәтті жүзеге асуы үшін ТТ-лерді дұрыс таңдау мен қолдану маңызы қандай екендігін көрсетеді.

Ток трансформаторының негізгі жұмыс істеу принципі

Негіз ретінде электромагниттік индукция

Токтық трансформатор электромагниттік индукцияның негізгі принципі бойынша жұмыс істейді. Алмас ток біріншілік өткізгіш арқылы — ол бір ғана шина арқылы өтетін немесе орамаланған біріншілік орам болуы мүмкін — өткен кезде трансформатордың өзекшесінде магниттік ағыс туындайды. Бұл ағыс екіншілік орамда бұрыштық қатынасына сәйкес пропорционал екіншілік токты индукциялайды. Нәтижесінде екіншілік ток шығысы біріншілік токтың толқын пішінін дәл қайталап, өлшеу құралдарына кіріс ретінде қолданылатын стандартты мәнге, мысалы 1 А немесе 5 А-ға дейін кемиді.

Бұл пропорционалдық қатынас өлшеу дәлдігінің негізі болып табылады. Ток трансформаторы біріншілік және екіншілік токтар арасында анықталған және өте тұрақты қатынасты сақтайтындықтан, одан кейінгі орналасқан құрылғылар екіншілік сигналдан нақты жүйелік токты белгілі дәлдік деңгейінде қалпына келтіре алады. Бұл қалпына келтірудің сапасы өзекті материалдың қасиеттеріне, орамдардың геометриясына және құрылғыға өндіріс пен калибрлеу кезінде берілген дәлдік класына байланысты.

Практикада, ешқандай ағын трансформаторы идеалдық коэффициентті дәл қамтамасыз ете алмайды. Бастапқы және екіншілік токтар арасында әрқашан кішкентай коэффициент қатесі мен фазалық ығысу болады. Бұл ауытқулар дәлдік класы арқылы сандық бағаланады — мысалы, есептеу үшін 0,2, 0,5 немесе 1, қорғаныс үшін 5P10 немесе 10P20, яғни белгіленген жүктеме мен ток шарттарындағы максималды рұқсат етілетін қателерді анықтайды. Сондықтан әрбір қолданыс үшін дәлдік класын дұрыс таңдау — жүйенің барлық аумағында өлшеу дәлдігін қамтамасыз етудің бірінші қадамы.

Жүктеме және оның жұмыс сапасына әсері

Ток трансформаторының екіншілік шығыстарына қосылған жүктеме оның дәлдікті сақтау қабілетіне тікелей әсер етеді. Жүктеме — бұл қосу кабельдері, реле кірістері және өлшеуіш орамдары сияқты екіншілік тізбектің жалпы толық кедергісін білдіреді. Егер жүктеме берілген дәлдік класы үшін номинал мәннен асып кетсе, ток трансформаторы қатынас қатесі мен фазалық бұрыш қатесі қабылданатын шектерден тыс өсуі мүмкін болатын қаныққан немесе асыра жүктемелі күйге кіреді.

Сондықтан, жүктемені дұрыс басқару – маңызды инженерлік міндет. Инженерлер жалпы екіншілік тізбектің толық кедергісін есептеуі, трассалау аралығы бойынша кабельдің кедергісін ескеруі және жалпы жүктеменің ток трансформаторының номинал ВА шығысы шегінде қалуын тексеруі тиіс. Егер жүктеме тым жоғары болса, ток трансформаторы (ТТ) өзі дұрыс таңдалған болса да, дәлдік төмендейді. Бұл – өндірістегі орнатуларда өлшеу қателерінің жиі кездесетін себебі болып табылады және ток трансформаторын жеке қарастыру емес, толық жүйе ретінде бағалау қажеттілігін көрсетеді.

Ток трансформаторлары өлшеу дәлдігін қалай жақсартады

Өлшеу класындағы ТТ және энергия есепке алу дәлдігі

Табыс деңгейіндегі энергия санағыштары үшін ток трансформаторы белгіленген бастапқы ток диапазонында — әдетте номиналды токтың 5%–120% аралығында — өте жоғары дәлдіктегі коэффициентті қамтамасыз етуі керек. 0,2S, 0,5S немесе 1 дәлдік класымен белгіленген санақ класындағы ТТ-лер осы жұмыс істеу диапазонында коэффициент қатесі мен фазалық ығысуын азайтуға арналған. ТТ-тің шығысындағы тіпті аз ғана дәлсіздіктер тікелей есептеу қателеріне алып келеді, ал бұл коммерциялық және өнеркәсіптік қолданыста уақыт өте келе қатты қаржылық салдарларға әкелуі мүмкін.

Жақсы жобаланған өлшеу ток трансформаторы — әдетте дән бағытталған кремний болаты немесе аморфты қорытпа сияқты жоғары өтімділікті өзек материалын қолданады, бұл оның номиналды ауқымында сызықтық әрекетін жақсы сақтайды. Екіншілік орам дәлдікпен оралған, ал бүкіл жинақталған құрылғы калибрленген эталондық стандарттарға қатысты сипатталады. Регуляторлық сәйкестік талап етілетін табыс өлшеу қолданыстарында ток трансформаторы IEC 61869-2 немесе ANSI C57.13 стандарттарына сәйкес типтік сынақтан өтіп, сертификатталуы тиіс.

Мысалы, ағымдағы трансформатор 10 кВ жүйелері үшін жобаланған орнатуларда құрылым осы дәлдік талаптарын орта кернеумен жұмыс істеуге арналған изоляция талаптарымен ұштастырады, соның арқасында құрылғының жұмыс істейтін электрлік кернеу ортасында өлшеу сапасы төмендейтін болмайды.

Толқын пішінінің дәлдігі және гармоникалық дәлдік

Айнымалы жиілікті басқарғыштар, қуат электроникалық түрлендіргіштер және сызықты емес жүктемелердің кең таралуына байланысты, қазіргі заманғы қуат жүйелерінде гармоникалық құрамның үлесі барынша артуда. Негізгі жиілікте (50 Гц немесе 60 Гц) жақсы жұмыс істейтін ток трансформаторы негізгі ток гармоникаларды қамтиды деп есептелген жағдайда дәлдігі төмендейді. Бұл қоректің шығындары мен магниттелу импедансы жиілікке тәуелді болғандықтан, гармоникалық жиіліктерде қосымша коэффициент қателері пайда болады.

Гармоникаларды өлшеу маңызды болатын қолданбалар үшін — мысалы, электр энергиясының сапасын бақылау, гармоникалық фильтрлеу басқаруы немесе кеңейтілген энергия басқаруы — ток трансформаторын оның жиілік жауабы сипаттамаларына назар аударып таңдау қажет. Кейбір мамандандырылған ТТ-лер кеңейтілген жиілік жауабымен жасалған, олар дәлдікті бірнеше килогерцке дейін сақтайды. Гармоникалық дәлдікті анықтауда өзек материалының таңдалуы мен орам конфигурациясы екеуі де маңызды рөл атқарады, сондықтан гармоникалық дәлдік проектінің талабы болса, тапсырыс берушілер өндірушілерден жиілік жауабы бойынша деректерді сұрауы қажет.

Ток трансформаторлары қорғаныс жүйесінің сенімділігін қалай қолдайды

Қорғаныс класындағы ТТ-лер және өту процестері

Қорғаныс релелері ақаулық токтарын дәл қайталауға ток трансформаторына тәуелді, олар номиналды бастапқы токтың он, жиырма немесе тіпті елу есе артығы болуы мүмкін. Өлшеу ток трансформаторлары (CT) — өте төмен көбейткіште қанықуға ұшырайтындай етіп жасалған, бұл сезімтал өлшеу құрылғыларының кірістерін қорғау үшін қажет. Ал қорғаныс класындағы ток трансформаторлары — белгіленген дәлдік шектік коэффициентіне (ALF) дейін сызықты қалуға немесе кемінде болжанатын қателік шегінде қалуға арналған. Мысалы, 5P20 деп бағаланған қорғаныс ток трансформаторы номиналды токтың жиырма есе артығында 5% аспайтын күрделі қателікті сақтайды.

Бұл асыра ағын көбейткіштерін қатты қанықтырмай-ақ өңдеу қабілеті апат кезінде қорғау релеулерінің дұрыс жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Егер ток трансформаторы уақытынан бұрын қанықса, екіншілік сигнал қатты бұрмаланады және реле іске қосылмауы — немесе дұрыс уақытта іске қосылмауы — құрылыс пен қызметкерлердің қауіпсіздігі үшін потенциалды түрде катастрофалық салдарға әкелуі мүмкін. Сондықтан қорғау ток трансформаторы апат тогы туралы ақпараттың қақпасы ретінде қызмет етеді, ал оның экстремалды жағдайлардағы жұмыс істеу сапасы барлық қорғау жүйесінің сенімділігінің шектерін анықтайды.

Көшімшілік жауап — қорғаныс токтарының трансформаторының өнімділігінің тағы бір маңызды өлшемі. Аварияның алғашқы циклдары кезінде біріншілік токта реле үшін ең маңызды уақытта өте үлкен тұрақты ток компоненті болуы мүмкін, ол өзектің терең қанықуына әкеледі. Бұл көшімшілік қанықу реленің дәл осы уақытта дәл кіріс сигналын қажет ететін сәтте екіншілік токтың толқын пішінін бұрмалауы мүмкін. Класы P және класы PX токтарының трансформаторлары осы көшімшілік әрекетті басқару үшін әртүрлі философиялар бойынша белгіленген, сондықтан қорғаныс жүйесінің инженерлері токтарының трансформаторының класын реленің типімен және электр энергетикалық жүйеде күтілетін нақты авариялық жағдайлармен сәйкестендіруі тиіс.

Дифференциалды және қашықтықты қорғаныс схемалары

Трансформаторлар, генераторлар және шина аймақтары үшін дифференциалдық қорғаныс схемаларында ток трансформаторы ерекше қатаң талаптар қоятын рөл атқарады. Тізбектің әртүрлі орындарында орналасқан екі немесе одан да көп ТТ-лер бір-бірімен салыстырылатын екіншілік токтарды өндіруі керек; бұл ішкі ақаулықты анықтау үшін жеткілікті дәлдік қамтамасыз етілуі керек, ал сыртқы ақаулар немесе қосу токтары кезінде қорғаныс құрылғысының жұмыс істеуінен тыйым салу керек. Дифференциалдық схемадағы ТТ-лердің коэффициенттері, фазалық бұрыштары немесе қанығу сипаттамалары арасындағы кез келген сәйкессіздік жасанды дифференциалдық ток туғызады, ол жалған ажыратуға немесе нағыз ақауларға сезімталдықты төмендетуге әкелуі мүмкін.

Дифференциалдық қорғаныс үшін сәйкес ток трансформаторларын таңдау кезінде олардың магниттелу сипаттамаларына, яғни магниттеу қисығы немесе бұрылу нүктесіндегі кернеуге назар аудару қажет. Бірдей дифференциалдық аймақта қолданылатын ТТ-лердің магниттелу қисықтары мүмкіндігінше сәйкес келуі керек, сонда олардың екіншілік шығыстары қалыпты және авариялық жағдайларда бірқалыпты болады. Сондықтан қорғаныс инженерлері сезімтал дифференциалдық қорғаныс қолданбаларын жобалаған кезде мүмкіндігінше бірдей ТТ типтерін, сонымен қатар бір өндірушіден және бір партиядан таңдайды.

Арақашықтық қорғанысы токты өлшеуді дәл жүзеге асыру үшін ток трансформаторына, сонымен қатар кедергіні есептеу үшін кернеу трансформаторының кірістеріне сүйенеді. Ток трансформаторындағы коэффициент қатесі мен фазалық ығысу реленің көрінетін кедергісіндегі қателерге әкеледі, бұл аймақ шекараларын ығытады және немесе қорғаныс аймағының қысқаруын (under-reach), немесе қорғаныс аймағының кеңеюін (over-reach) тудырады. Жоғары дәлдіктегі қорғаныс ток трансформаторлары қорғаныс философиясы талап ететін дәлдікпен арақашықтық релесінің аймақтарын орнату мен сақтауды қамтамасыз етеді.

Орнату, полярлық және екіншілік тізбектің бүтіндігі

Дұрыс полярлық және фазалық тағайындау

Токтық трансформаторды оның қажетті екіншілік тізбектегі қосылуларына қатысты дұрыс полярлық бағытта орнату керек. Полярлық белгілер — әдетте біріншілікте P1/P2 және екіншілікте S1/S2 — біріншілік пен екіншілік токтары арасындағы фазалық қатынасты анықтайды. Полярлық бағыттың керісінше орнатылуы екіншілік тогында 180-градустық фазалық қате туғызады, сондықтан бағытталған қорғану элементтері қате бағытта жұмыс істейді, ал энергия санағыштары тұтынылған энергияны қосу орнына азайтады. Полярлық қателер — токтық трансформаторларды орнатқанда өндірісте кездесетін ең көп тараған және ең маңызды қателердің бірі.

Кернеу трансформаторына негізделген қорғаныс немесе өлшеу жүйесін іске қосудың алдында полярлық тексеру сынағын жүргізу керек. Бұл сынақ белгілі бір біріншілік токты енгізу арқылы және екіншілік токтың бағытын күтілетін полярлық ыңғайлануға сәйкес тексеру арқылы жүзеге асырылады. Көптеген заманауи екіншілік инжекциялық сынау қондырғыларында автоматтандырылған полярлық тексеру реті қамтылған, сондықтан бұл процесті күрделі көп-ТТ орнатулары үшін де оңай жүзеге асыруға болады.

Ашық тізбек қауіпсіздігі және екіншілік тізбектің қысқа тұйықталуы

Токтық трансформаторлардың жұмысын реттейтін ең маңызды қауіпсіздік ережелерінің бірі — біріншілік ток өтіп тұрған кезде екіншілік шығыстарды ашық тұрған күйде қалдырмау керек. Кернеу трансформаторларында ашық екіншілік қауіпсіз болса, токтық трансформатордың ашық екіншілігі барлық біріншілік МКК-ны (магниттік қозғаушы күш) өте жоғары деңгейге дейін өткізуге әкеледі. Бұл екіншілік шығыстарда өте жоғары индукцияланған кернеуге — потенциалды түрде мыңдаған вольтқа — әкеледі, ол персонал үшін өлімге әкелуші және токтық трансформатордың оқшаулануына зиян келтіруші.

Бұл сипаттама ағын трансформаторының екіншілік тізбегін реле немесе өлшеуіш құралдарының жүктемесін қауіпсіз түрде ажыратуға мүмкіндік беретін, бірақ бастапқы жұмысты тоқтатпауға арналған қысқарту құрылғыларымен жобалауды талап етеді. Ағын трансформаторының екіншілік тізбегімен қолданылатын терминалдық блоктар әдетте осы мақсатта интегралды қысқарту рейкаларын қосады. Бұл талапқа сай келу міндетті — бұл ағын трансформаторларымен жұмыс істейтін әрбір инженер мен техниктің түсінуі және қатаң қолдануы қажет болатын негізгі қауіпсіздік талабы.

Орта кернеу қолданыстары үшін дұрыс ағын трансформаторын таңдау

Кернеу класы мен изоляция талаптары

Орта кернеу қолданыстары үшін (6 кВ – 35 кВ аралығында) ток трансформаторы жұмыс кернеу деңгейіне сәйкес изоляциялық жүйелермен жасалуы тиіс. Біріншілік изоляцияның диэлектрлік беріктігі, беттік ағыс арақашықтықтары және импульстық төзімділік деңгейлері барлығы кернеу класына қарай өзгереді. Мысалы, 10 кВ жүйелері үшін арналған ток трансформаторы Um = 12 кВ жабдық классы үшін IEC 61869-2 стандартында көрсетілген изоляция деңгейлеріне, яғни қуат жиілігіндегі төзімділік пен найзағай импульсына төзімділік деңгейлеріне сай болуы тиіс.

Ток трансформаторының физикалық форм-факторы да кернеу класына қарай өзгереді. Тұйық сақиналы немесе терезелі ТТ-лер төмен кернеудегі қосқыш қондырғыларында кеңінен қолданылады, ал орта және жоғары кернеудегі қолданыстарда құйма шайыр немесе май-қағаз изоляциясы бар стерженьді немесе орамды біріншілік конструкциялары қолданылады. Құрылыс типін таңдау тек изоляциялық қабілетке ғана емес, сонымен қатар орнату оңайлығына, қызмет көрсету қолжетімділігіне және жалпы станция аумағына да әсер етеді.

Икі ядролы және көп қатынасты конструкциялар икемділік үшін

Көптеген орта кернеулы ток трансформаторлары бір ғана корпус ішінде екі немесе одан да көп тәуелсіз ядролармен шығарылады, олардың біреуі өлшеу функцияларын атқарса, ал басқасы қорғаныс үшін арналған. Бұл екі ядролы конфигурация өлшеу ядросының қалыпты жұмыс істеу ауқымында дәлдігін оптималды түрде қамтамасыз етуге мүмкіндік береді, сонымен қатар қорғаныс ядросының апаттық ашық токтарды өткізу қабілетін төмендетпейді. Екі функцияны тәуелсіз магниттік тізбектерге бөлу — бір ғана ядроға екі дәлдік класын бір уақытта қамтамасыз ету талабын қоюдан туындайтын компромиссті болдырмауға көмектеседі.

Көп қатынасты ток трансформаторлары екіншілік ұштардың конфигурациясы арқылы таңдалатын орамдар қатынасын ұсыну арқылы қосымша икемділік береді. Бұл біріншілік ток уақыт өтуімен өзгеруі мүмкін орнатулар үшін, мысалы, жүктеме өсуі күтілетін жағдайларда немесе бір CT типі әртүрлі панель орындарында әртүрлі қатынас талаптарын қанағаттандыруы керек болғанда, ерекше пайдалы. CT-ны алмастырмай-ақ екіншілік қатынасты қайта конфигурациялау мүмкіндігі капиталдық шығындар мен орнату кезіндегі кедергілерді азайтады.

Жиі қойылатын сұрақтар

Өлшеу CT-сы мен қорғану CT-сының айырмашылығы неде?

Өлшеу тогы трансформаторы — әдетте номинал токтың 5%–120% аралығындағы қалыпты жұмыс істеу тогы диапазоны бойынша коэффициенттік дәлдікті қамтамасыз ету үшін оптимизацияланған және сезімтал санағыш кірістерін қорғау үшін салыстырмалы түрде төмен асыра ток көбейткіштерінде қанығуға ұмтылатын трансформатор. Ал қорғаныс тогы трансформаторы, керісінше, қорғаныс релелері жүйедегі ақаулар кезінде дәл ақаулы ток сигналдарын қабылдай алатындай етіп, номинал токтың жоғары көбейткіштерінде (мысалы, номинал токтың 10–20 есе артық мәндерінде) қабылданатын коэффициенттік сапаны сақтауға арналған. Бұл екі түр толықтырушы, бірақ әртүрлі мақсаттарға қызмет етеді және бір-бірінің орнына қолданылуы мүмкін емес.

ТТ қанығуы қорғаныс реле өнімділігіне қалай әсер етеді?

Токтық трансформатор сыйымдылығына жеткенде, оның өзегіндегі магнит ағыны шекті мәнге жетеді, осыдан кейін бастапқы токтың әрі қарай өсуі екіншілік токтың әлдеқайда аз өсуіне әкеледі. Екіншілік толқын пішіні айтарлықтай қиылып, бұрмаланады, нәтижесінде реле бастапқы токта нақты болатыннан әлдеқайда төмен көрінетін токты бақылайды. Бұл авария кезінде реленің іске қосылмауына, іске қосылуының кешігуіне немесе бағыттық немесе дифференциалдық функциялар сияқты толқын пішінінің бүтіндігіне тәуелді қорғаныс элементтерінің қате жұмыс істеуіне әкелуі мүмкін. Күтілетін авариялық жағдайларда сыйымдылықтың алдын алу үшін токтық трансформатордың дәлдік шекті коэффициенті жеткілікті болуы керек.

Неге токтық трансформатордың екіншілік тізбегін ашық тұрған күйде қалдыруға болмайды?

Ток трансформаторы арқылы бастапқы ток өткен кезде, екіншілік тізбекте әдетте өзектің пропорционалды тогы өтеді, ол өзегіндегі магнит ағынын қауіпсіз деңгейге дейін шектейді. Егер екіншілік тізбек ашық болса, қарама-қарсы екіншілік МКК болмайды және өзектегі магнит ағыны әр жарты циклда қаныққа дейін көтеріледі, нәтижесінде екіншілік шығыстарында жоғары кернеу импульсы индукцияланады. Бұл кернеулер мыңдаған вольтқа жетуі мүмкін және персонал үшін өлім қаупін туғызады, сонымен қатар ТТ-ның оқшаулануын бұзып тастай алады. Барлық ток трансформаторларының екіншілік тізбектері жұмыс істеп тұрған кезде сәйкес жүктеме немесе қысқа тұйықтау сымы арқылы тұйықталып тұруы керек.

10 кВ электр энергиясы жүйесі үшін ток трансформаторын таңдағанда қандай факторларды ескеру керек?

Негізгі таңдау факторларына номиналдық біріншілік ток, өлшеу мен қорғаныс үшін қажетті дәлдік класы, ВА-мен көрсетілген номиналдық жүктеме, қорғаныс орамы үшін дәлдік шектеу коэффициенті, 10 кВ желісіне сәйкес изоляция деңгейі, физикалық орнату және орнату пішімі, сонымен қатар IEC 61869-2 сияқты қолданыстағы стандарттарға сәйкестігі жатады. Ток трансформаторы жоғары авариялық ток деңгейлері немесе жылдам қорғаныс релелері бар қолданыстарда қолданылса, оның өту процестеріндегі жұмыс сипаттамаларын да бағалау қажет. Өлшеу мен қорғаныс талаптарын бір орнатылған құрылғыдан қанағаттандыру үшін екі орамды конструкциялар жиі қолданылады.