Насичення трансформатора струму через DC-зсув — співвідношення X/R і час до насичення

Гід із класу захисту трансформатора струму (5P/10P) і напруги коліна розглядає насичення, що виникає, коли первинний струм пошкодження перевищує коефіцієнт граничної кратності точності трансформатора струму, а також насичення, спричинене нерівним залишковим потоком між трансформаторами струму навколо диференціальної зони. Ця стаття розглядає третій, окремий механізм: насичення, спричинене постійною складовою (DC-зсувом), невід'ємно присутньою в несиметричному струмі короткого замикання одразу після виникнення пошкодження.

Звідки береться DC-зсув

Коли в переважно індуктивній мережі виникає коротке замикання, струм пошкодження не починається одразу як чиста, симетрична синусоїда. Залежно від моменту циклу напруги, в який відбувається пошкодження, струм пошкодження містить експоненційно затухаючу постійну складову поверх симетричної складової змінного струму — відомий «несиметричний» перебіг струму короткого замикання одразу після його виникнення, з піковим значенням, що суттєво перевищує чисто симетричну амплітуду. Ця DC-складова поступово затухає зі сталою часу, яка визначається співвідношенням реактивного опору (X) до активного опору (R) шляху пошкодження: τ = X / (2πf·R).

Чому вище співвідношення X/R збільшує ризик

Що вище співвідношення X/R мережі в місці пошкодження, то повільніше затухає DC-складова (більша стала часу τ) і то більша асиметрія струму пошкодження. Мережі поблизу великого силового трансформатора чи генератора зазвичай мають вище співвідношення X/R, ніж мережі, розташовані далі в розподільній мережі, і тому несуть більший ризик тривалого, сильного DC-зсуву під час пошкодження.

Вплив на трансформатор струму: час до насичення (ts)

Трансформатор струму, який має перетворити первинний струм (включно з DC-складовою) у вторинне коло, по суті інтегрує підведений потік у своєму осерді. DC-складова струму пошкодження непропорційно сильно сприяє наростанню цього потоку порівняно із симетричною складовою змінного струму, оскільки потік DC-складової не усереднюється за цикл, як у випадку чистої синусоїди. Унаслідок цього трансформатор струму, який за симетричного струму пошкодження тієї самої амплітуди залишався б із запасом у межах точності, за несиметричного струму пошкодження зі значним DC-зсувом усе ж може насититися — часто вже в перші кілька циклів після виникнення пошкодження. Момент, коли це відбувається, називається часом до насичення (ts): що вище співвідношення X/R і що сильніше трансформатор струму вже навантажений самою лише симетричною складовою, то коротшим стає ts.

Чому це може ввести в оману реле захисту

Багато функцій захисту (особливо високошвидкісний диференціальний та дистанційний захист) мають приймати правильне рішення саме в перші цикли після виникнення пошкодження — якраз у тому часовому вікні, де насичення, спричинене DC-зсувом, найбільш імовірне. Спотворений, насичений вторинний сигнал у ці перші цикли може подати реле неправильну амплітуду або форму хвилі, що може призвести до затриманого чи пропущеного спрацювання, а також до хибного спрацювання — останнє особливо актуальне для диференціального захисту, де нерівне насичення між трансформаторами струму по обидва боки захищуваної зони (як також розглянуто в гіді про клас захисту і напругу коліна) дає удаваний диференціальний струм.

Увага: сучасні реле захисту застосовують алгоритми (зокрема на основі розпізнавання гармонік чи адаптивної фільтрації), спеціально розроблені для обмеження впливу насичення трансформатора струму, спричиненого DC-зсувом. Ця стаття розглядає базове фізичне явище, а не повну внутрішню техніку компенсації конкретної моделі реле.

Практична значущість

При підборі трансформатора струму для застосування з очікуваним високим співвідношенням X/R (наприклад, поблизу великого трансформатора чи генератора) слід, окрім номінального коефіцієнта граничної кратності точності (ALF) і напруги коліна, враховувати також очікуваний час до насичення за максимального несиметричного струму пошкодження — трансформатор струму, розрахований лише під симетричну складову, може за реального, несиметричного сценарію пошкодження насититися раніше, ніж передбачає номінальний клас захисту.

Типові помилки

1. Врахування при перевірці підбору трансформатора струму лише симетричного (діючого) струму пошкодження, без урахування додаткового внеску потоку від DC-зсуву за високого співвідношення X/R.
2. Припущення, що коректно підібраний клас захисту (наприклад, 5P20) виключає будь-яку форму насичення — специфікація класу зазвичай ґрунтується на симетричному струмі граничної точності, а не автоматично на несиметричному піку з урахуванням DC-зсуву.
3. Неврахування співвідношення X/R у місці пошкодження під час системного аналізу — той самий трансформатор струму може працювати без проблем за низького співвідношення X/R і насититися за високого співвідношення X/R в іншому місці тієї самої мережі.
4. Приписування хибного спрацювання диференціального захисту за важкого зовнішнього пошкодження виключно різницям залишкового потоку, без розгляду внеску насичення, спричиненого DC-зсувом, у перші цикли після пошкодження як можливого чинника.

Пов'язане

• Клас захисту трансформатора струму (5P/10P) і напруга коліна
• Розрахунок струму короткого замикання — метод імпедансу IEC 60909
• Диференціальний захист трансформатора (87T)
• Струмовий захист (50/51) — час-струмові характеристики IDMT