Класс защиты трансформатора тока (5P/10P) и напряжение точки перегиба — почему измерительный ТТ не подходит для защиты

Руководство о классе точности измерения и нагрузке трансформатора тока при учёте кВт·ч рассматривает классы 0,2/0,5/1, которые описывают допустимую погрешность измерения при нормальном рабочем токе. Эта статья рассматривает вторую основную категорию трансформаторов тока: предназначенную для защиты, где требование по сути противоположное.

Почему измерительный ТТ не подходит для защиты

Измерительный ТТ оптимизирован для высокой точности при нормальном рабочем токе (около номинального уровня, максимум примерно до 1,2× номинала). Чтобы защитить подключённое измерительное оборудование (счётчик кВт·ч, амперметр) от очень высокого тока во время повреждения, измерительный ТТ, кроме того, намеренно спроектирован так, чтобы быстро насыщаться при кратном номинальному токе — сердечник достигает магнитного насыщения, и вторичный ток перестаёт расти пропорционально (гораздо более высокому) первичному току повреждения. Для целей измерения это желательное поведение. Однако для защиты это проблема: защитному реле именно во время повреждения, при сильно повышенном первичном токе, нужен надёжный пропорциональный вторичный сигнал для правильной оценки повреждения.

Класс защиты: предел составной погрешности и коэффициент предела точности

Поэтому трансформатор тока для целей защиты определяется согласно классу защиты по IEC 61869-2 (ранее IEC 60044-1), обозначаемому, например, как 5P10 или 10P20:

• Первое число (5 или 10) — это максимальная составная погрешность (composite error) в процентах при предельном токе точности — то есть насколько точным должен оставаться ТТ на крайней границе своего заданного диапазона.
• Буква P означает "protection" (защита).
• Второе число (10 или 20 в примерах) — это коэффициент предела точности (accuracy limit factor, ALF): кратность номинального первичного тока, до которой ТТ должен оставаться в пределах заданной составной погрешности. Таким образом, ТТ класса 5P10 с номинальным первичным током 100 А должен вплоть до 1000 А (10× номинала) оставаться в пределах 5% составной погрешности, а не насыщаться значительно раньше, как это сделал бы измерительный ТТ.

Напряжение точки перегиба: где начинается насыщение

Помимо класса защиты, защитный ТТ — особенно для таких применений, как высокоомная защита от замыкания на землю или дифференциальная защита (см. руководство о дифференциальной защите трансформатора) — часто также характеризуется через напряжение точки перегиба (knee-point voltage, Vk): точку на кривой намагничивания ТТ, при которой увеличение напряжения на 10% вызывает увеличение тока намагничивания на 50% (определение согласно IEC 61869-2/IEC 61869-11 для ТТ класса PX). Ниже напряжения точки перегиба ТТ ведёт себя почти линейно; значительно выше напряжения точки перегиба наступает сильное насыщение. Более высокое напряжение точки перегиба (достигаемое за счёт большего сердечника или меньшего числа вторичных витков) означает, что ТТ остаётся линейным вплоть до более высокой вторичной нагрузки (burden) и более высокого первичного тока повреждения, прежде чем наступит насыщение.

Почему насыщение ТТ может ввести в заблуждение дифференциальное реле

При тяжёлом, но внешнем (сквозном) по отношению к защищаемой зоне коротком замыкании один из ТТ вокруг дифференциальной зоны может насытиться, тогда как другой — нет, например, из-за разницы в остаточной (ремaнентной) намагниченности сердечников, разницы во вторичной нагрузке или разницы в постоянной времени тока короткого замыкания с обеих сторон. Это неравномерное насыщение даёт кажущийся дифференциальный ток, хотя внутреннего повреждения вовсе нет. Это одна из причин, по которой, как рассматривается в руководстве о дифференциальной защите, характеристика торможения делается менее чувствительной при высоком сквозном токе: это частично компенсирует растущий риск ошибок насыщения ТТ при тяжёлых внешних повреждениях.

Внимание: точный выбор класса защиты, ALF и напряжения точки перегиба для конкретного применения (дифференциальная, замыкающая на землю или максимально-токовая защита) вытекает из руководств по применению производителя реле и системного исследования; эта статья рассматривает понятия, а не готовую таблицу выбора для каждого применения.

Практическая значимость

При спецификации или проверке трансформаторов тока для применения в защите важно понимать, что ТТ, обозначенный только классом точности измерения (0,2/0,5/1), не подходит для целей защиты, и что выбор защитного ТТ со слишком низким коэффициентом предела точности или напряжением точки перегиба относительно заданной вторичной нагрузки может привести к ненадёжной работе реле во время тяжёлых повреждений.

Частые ошибки

1. Применение измерительного ТТ (класс 0,2/0,5/1) для функции защиты — он намеренно спроектирован для насыщения при высоком токе повреждения, чего защитное реле как раз не может себе позволить.
2. Игнорирование ALF (коэффициента предела точности) защитного ТТ при определении его пригодности для ожидаемого тока повреждения — ТТ класса 5P10, нагруженный во время повреждения током 15× номинала, выходит далеко за пределы своего заданного диапазона точности.
3. Непроверка напряжения точки перегиба ТТ для применения высокоомной защиты от замыкания на землю или дифференциальной защиты — слишком низкое напряжение точки перегиба относительно вторичной нагрузки и ожидаемого тока повреждения повышает риск насыщения и неправильного или пропущенного срабатывания реле.
4. Предположение, что насыщение ТТ может привести только к пропущенному отключению — неравномерное насыщение между ТТ вокруг дифференциальной зоны может также привести к ложному отключению при внешнем повреждении.

Связанные материалы

• Класс точности измерения и нагрузка трансформатора тока при косвенном учёте кВт·ч
• Дифференциальная защита трансформатора (87T)
• Трансформатор напряжения (ТН) — класс точности измерения и нагрузка при косвенном измерении напряжения
• Настройки автоматического выключателя — L, S, I и G в защитной характеристике LSI(G)