Насыщение трансформатора тока из-за DC-смещения — отношение X/R и время до насыщения

Гид по классу защиты трансформатора тока (5P/10P) и напряжению колена рассматривает насыщение, возникающее, когда первичный ток повреждения превышает коэффициент предельной кратности точности трансформатора тока, а также насыщение, вызванное неравным остаточным потоком между трансформаторами тока вокруг дифференциальной зоны. Эта статья рассматривает третий, отдельный механизм: насыщение, вызванное постоянной составляющей (DC-смещением), неотъемлемо присутствующей в несимметричном токе короткого замыкания сразу после возникновения повреждения.

Откуда берётся DC-смещение

При возникновении короткого замыкания в преимущественно индуктивной сети ток повреждения не начинается сразу как чистая, симметричная синусоида. В зависимости от момента цикла напряжения, в который происходит повреждение, ток повреждения содержит экспоненциально затухающую постоянную составляющую поверх симметричной составляющей переменного тока — известная «несимметричная» форма тока короткого замыкания сразу после его возникновения, с пиковым значением, существенно превышающим чисто симметричную амплитуду. Эта DC-составляющая постепенно затухает с постоянной времени, определяемой отношением реактивного сопротивления (X) к активному сопротивлению (R) пути повреждения: τ = X / (2πf·R).

Почему более высокое отношение X/R увеличивает риск

Чем выше отношение X/R сети в месте повреждения, тем медленнее затухает DC-составляющая (больше постоянная времени τ) и тем больше асимметрия тока повреждения. Сети вблизи крупного силового трансформатора или генератора обычно имеют более высокое отношение X/R, чем сети, расположенные дальше в распределительной сети, и поэтому подвержены большему риску продолжительного, сильного DC-смещения во время повреждения.

Влияние на трансформатор тока: время до насыщения (ts)

Трансформатор тока, который должен преобразовать первичный ток (включая DC-составляющую) во вторичную цепь, по сути интегрирует подводимый поток в своём сердечнике. DC-составляющая тока повреждения непропорционально сильно способствует нарастанию этого потока по сравнению с симметричной составляющей переменного тока, поскольку поток DC-составляющей не усредняется за цикл, как в случае чистой синусоиды. В результате трансформатор тока, который при симметричном токе повреждения той же амплитуды оставался бы с запасом в пределах точности, при несимметричном токе повреждения с существенным DC-смещением всё же может насытиться — часто уже в первые несколько циклов после возникновения повреждения. Момент, когда это происходит, называется временем до насыщения (ts): чем выше отношение X/R и чем сильнее трансформатор тока уже нагружен одной лишь симметричной составляющей, тем короче становится ts.

Почему это может ввести в заблуждение реле защиты

Многие функции защиты (в особенности высокоскоростная дифференциальная и дистанционная защита) должны принимать правильное решение именно в первые циклы после возникновения повреждения — как раз в том временном окне, где насыщение, вызванное DC-смещением, наиболее вероятно. Искажённый, насыщенный вторичный сигнал в эти первые циклы может представить реле неверную амплитуду или форму волны, что может привести к задержанному или пропущенному срабатыванию, а также к ложному срабатыванию — последнее особенно актуально для дифференциальной защиты, где неравное насыщение между трансформаторами тока по обе стороны защищаемой зоны (как также рассмотрено в гиде о классе защиты и напряжении колена) даёт кажущийся дифференциальный ток.

Внимание: современные реле защиты применяют алгоритмы (в том числе основанные на распознавании гармоник или адаптивной фильтрации), специально разработанные для ограничения влияния насыщения трансформатора тока, вызванного DC-смещением. Эта статья рассматривает лежащее в основе физическое явление, а не полную внутреннюю технику компенсации конкретной модели реле.

Практическая значимость

При подборе трансформатора тока для применения с ожидаемым высоким отношением X/R (например, вблизи крупного трансформатора или генератора) следует, помимо номинального коэффициента предельной кратности точности (ALF) и напряжения колена, учитывать также ожидаемое время до насыщения при максимальном несимметричном токе повреждения — трансформатор тока, рассчитанный только под симметричную составляющую, может при реальном, несимметричном сценарии повреждения насытиться раньше, чем предполагает номинальный класс защиты.

Типичные ошибки

1. Учёт при проверке подбора трансформатора тока только симметричного (действующего) тока повреждения, без учёта дополнительного вклада потока от DC-смещения при высоком отношении X/R.
2. Предположение, что корректно подобранный класс защиты (например, 5P20) исключает любую форму насыщения — спецификация класса обычно основана на симметричном токе предельной точности, а не автоматически на несимметричном пике с учётом DC-смещения.
3. Неучёт отношения X/R в месте повреждения при системном анализе — один и тот же трансформатор тока может работать без проблем при низком отношении X/R и насытиться при высоком отношении X/R в другом месте той же сети.
4. Приписывание ложного срабатывания дифференциальной защиты при тяжёлом внешнем повреждении исключительно различиям остаточного потока, без рассмотрения вклада насыщения, вызванного DC-смещением, в первые циклы после повреждения как возможного фактора.

Похожие материалы

• Класс защиты трансформатора тока (5P/10P) и напряжение колена
• Расчёт тока короткого замыкания — метод импеданса IEC 60909
• Дифференциальная защита трансформатора (87T)
• Токовая защита (50/51) — время-токовые характеристики IDMT