Для предохранения электрических установок высокого напряжения от вредного действия сверхтоков и ограничения распространения аварий применяют защитные устройства, автоматически отключающие поврежденный участок.
В качестве источника тока, осуществляющего операцию выключения, долгое время служили аккумуляторные батареи.
На небольших электростанциях и сетевых подстанциях, где аккумуляторная батарея вызывает дополнительный расход дефицитных материалов и усложнение эксплоатации, необходим более экономичный источник оперативного тока.
Для этой цели давно привлекли к себе внимание измерительные трансформаторы тока и напряжения. Однако такое их использование затрудняется тем, что их режим работы при аварии или сверхтоке резко изменяется.
Органическим недостатком измерительного трансформатора напряжения, запрещающим его использование в качестве источника оперативного тока, является тот, что при снижении напряжения в сети, сопровождающем короткое замыкание, такой трансформатор резко снижает отдаваемую мощность в самый ответственный момент работы защиты.
Обстоятельствами, затрудняющими использование измерительного трансформатора тока в качестве источника оперативного тока, являются условие неразрывности его. вторичной цепи и, вследствие резкого увеличения отдаваемой мощности при сверхтоках, повышенные требования к контактам релейных устройств.
При удовлетворении же этих условий защиты с оперативным переменным током, использующие в качестве источника тока измерительный трансформатор тока, обладают достаточной надежностью, сохраняя преимущества простоты и экономичности.
Известны следующие схемы защиты с оперативным током от измерительного трансформатора тока:
1. Защиты с токовым реле прямого действия, встраиваемыми в полуавтоматический привод масляных выключателей.
Недостатками этой системы являются грубость защиты вследствие очень низких значений коэфициента возврата и больших погрешностей в точке трогания, а также значительное потребление мощности катушкой реле.
2. Защиты с вспомогательным дросселем во вторичной цепи трансформаторов тока.
Недостатками защиты являются еще большее потребление мощности, чем в первом случае, недопустимо высокие значения минимального тока трогания и тяжелый режим перегруженного при нормальной работе трансформатора тока, питающего защитное устройство.
3. Защиты с реле, контакты которых дешунтируют выключающую катушку.
Недостатком защиты является ограниченная область применения лишь в сетях с кратностью токов короткого замыкания, по отношению к номинальному току трансформатора тока, не более шести.
4. Защиты с промежуточными трансформаторами и автотрансформаторами в цепи трансформаторов тока.
Недостатками защиты являются необходимость в дополнительной. аппаратуре, большое потребление мощности и тяжелый режим перегруженного при нормальной работе трансформатора тока, питающего защитное устройство.
Недостатки перечисленных защитных устройств вызваны тем, что одна вторичная цепь трансформатора тока должна одновременно удовлетворять слишком многим условиям.
Устранение этих недостатков возможно для защит с оперативным переменным током при условии питания защитных устройств от специальных трансформаторов тока, имеющих несколько вторичных обмоток на одном сердечнике.
В журнале «Электрические станции» №2 за 1940 г. опубликована статья инж. Трофимова на тему «Применение трехобмоточных трансформаторов тока для питания цепей оперативного тока».
На фиг. 1 чертежа приведена принципиальная схема защиты от такого трехобмоточного трансформатора тока. На одном сердечнике трансформатора тока ТТ расположена одна первичная и две вторичных обмотки. Нормальная секция вторичной обмотки питает цепи реле ИТ и приборов, дополнительная, - выключающая катушку К через нормально разомкнутые контакты реле ИТ. При любом положении контактов реле, магнитный поток сердечника трансформатора тока ограничен размагничивающим действием постоянно замкнутой секции трансформатора тока.
Обозначим:
- ампервитки первичной обмотки,
- ампервитки секции, присоединенной к реле,
- ампервитки секции, присоединенной к выключающей катушке.
Примем, что при всех режимах соблюдается условие:
Когда контакты реле разомкнуты
Коэфициент трансформации секции, питающей цепь обмотки реле,
Ток, протекающий через обмотку реле,
При замыкании контактов реле ток, протекающий через обмотку реле, уменьшается: в этом случае
Изменение величины тока, протекающего через обмотку реле, в зависимости от положения реле, является органическим недостатком схемы по фиг. 1. Выясним, насколько серьезен этот недостаток.
Примем, что для эксплоатации допустимо соотношение
Несоблюдение этого условия приводит к многократному возвратно-поступательному режиму работы подвижного механизма реле в наиболее ответственный момент работы защиты. Пользуясь выражениями (1) и (4), получим
Напряжение* приходящееся на виток каждой секции, Поскольку обе секции находятся на одном сердечнике, одинаково; поэтому
Сохранение такого соотношения при применении токовой выключающей катушки прямого действия невозможно, так как расход мощности цепью реле должен составить 60·5,66 = 283 ва.
К недостаткам этого устройства относится также необходимость наложения дополнительной обмотки сверх имеющейся с числом витков в 5-6 раз большим,, чем у нормальной катушки.
Предметом настоящего изобретения является устройство для релейной защиты с оперативным переменным током, свободное от указанных недостатков.
В предлагаемом устройстве для питания цепи защиты также используется трансформатор тока с вторичной обмоткой, разделенной на две секции. В отличие же от схемы по фиг. 1, в предлагаемом устройстве обе секции включены параллельно на катушку реле: одна - непосредственно, а вторая - через отключающую катушку масляного выключателя и контакты реле. При таком включении устраняется влияние положения контактов реле на величину тока, протекающего через обмотку реле. Катушка реле, включенная согласно фиг. 2, на которой изображена схема предлагаемого устройства, обтекается при всех режимах суммой токов, протекающих в обеих секциях. Схема позволяет применять реле с нормально разомкнутыми контактами и, как будет ниже показано, термически устойчива в сетях с любыми значениями токов короткого замыкания.
Для осуществления предлагаемого устройства вторичная обмотка нормального трансформатора тока разрезается посредине и получившиеся дополнительные концы выводятся к двум дополнительным зажимам вторичной обмотки.
Номинальный коэфициент трансформатора тока до переделки обмотки:
Коэфициент трансформации каждой из секционированных обмоток
При нормальном режиме, когда контакты реле разомкнуты, вторичная цепь трансформатора тока замкнута лишь на обмотку реле; тогда
При замыкании контактов реле возникает еще одна цепь тока, замыкающаяся через контакты реле на выключающую катушку. Такой режим работы трансформатора тока сопровождается перераспределением токов между вторичными обмотками. Исследование этого режима облегчается тем, что напряжение, индуктируемое в каждой секции, одинаково, так как обе обмотки находятся на одном сердечнике.
Для анализа этого режима на фиг. 3 приведена схема замещения, эквивалентная схеме фиг. 2.
В схеме приняты следующие обозначения сопротивлений:
- секции вторичной обмотки;
Rпр - соединительных проводов и контактов,
Zk - токовой выключающей катушки;
Zp - обмотки реле.
При замыкании контактов реле
здесь:
- сила тока в секции, постоянно присоединенной к реле,
- сила тока в секции, присоединенной к выключающей катушке,
ip - сила тока в обмотке реле.
В секции Wp протекает ток
Сила тока в секции ωp уменьшается в момент замыкания контактов реле на величину i′′2.
Через обмотку же реле протекает сумма токов секций ωp и ωk:
Сопоставляя это равенство с выражением (7), делаем вывод: сила тока, протекающего через обмотку реле в схеме фиг. 2, не зависит от положения контактов реле и соотношения между силами токов в секциях.
При небольших значениях Z2 токораспределение в схеме может оказаться неблагоприятным и ток, протекающий через выключающую катушку, недостаточным для срабатывания.
Коэфициент токораспределения, согласно фиг. 3
Условие приемлемости схемы:
В сетях с кратностью тока короткого замыкания, меньшей 6, целесообразно применять защиты с дешунтированием выключающей катушки.
Областью применения схемы фиг. 2 изобретатель считает сети с кратностью тока короткого замыкания, превышающей 6.
Тогда нижний предел аварийного тока во вторичной цепи
ip = 30 а.
Критическое значение коэфициента токораспределения
Условие надежной работы защиты
Ki>Kiкрит.
Главной составляющей, определяющей коэфициент токораспределения в выражении (10), является импеданс Z2 вторичной обмотки.
Применительно к конструкции ТПФУ-3 (завод Электроаппарат), имеющей Z2 = 1,02, т.е. максимальный импеданс, что обеспечивает наибольшие значения Ki, можно показать эффективность предлагаемой системы литания.
Сопротивления проводов и контактов примем:
Импеданс выключающей катушки зависит от уставки и колеблется в пределах 
при отпущенном якоре.
Значения Ki и Kiкрит., подсчитанные по выражениям (10) и (11), при различных уставках токовой катушки, приведены в табл. 1.
Как видно из этой таблицы, Ki возрастает с увеличением уставки и при всех уставках превышает критические значения коэфициентов токораспределения. Таким образом схема по фиг. 2 отвечает условиям работы защиты по нижнему пределу аварийного тока.
Верхний предел аварийных токов схемы фиг. 2 ограничивается мощностью контактов реле. Принимая реле ХЭМЗ серии ИТ-80, контактная система которых допускает замыкание токов до 30 а, определим максимальную кратность n тока короткого замыкания, допускаемую схемой фиг. 2.
Можно написать:
Здесь Iном - номинальный ток трансформатора тока.
Подставив
получим:
Предельные значения n, допускаемые схемой фиг. 2, подсчитанные по выражению (12), в зависимости от уставки выключающей катушки, приведены в табл. 2.
Максимальная кратность вторичного тока трансформатора тока ТПФУ-3 по данным завода Электроаппарат не более 15. Верхний предел аварийного тока не ограничивается схемой фиг. 3, так как допускаемые значения n, приведенные в табл. 2, при всех уставках выключающей катушки больше 15.
Изобретатель считает, что изготовление и внедрение секционированных трансформаторов тока для релейных защит по схеме фиг. 2 позволит расширить область применения защиты с оперативным переменным током, освободит от необходимости установки для этой цели быстро насыщающихся промежуточных трансформаторов и автотрансформаторов и приведет в связи с этим к экономии материалов и электроэнергии. Модернизация нормальной конструкции трансформатора тока ТПФУ-3 в схеме по фиг. 2 потребует установки только двух дополнительных зажимов.
Устройство для релейной защиты с оперативным переменным током, отличающееся тем, что, с целью отказа от применения дополнительной аппаратуры в виде промежуточных быстронасыщающихся трансформаторов тока или автотрансформаторов, вторичная обмотка трансформатора тока, питающего цепи защиты, разделена на две секции, параллельно включенные на катушку реле: одна - непосредственно, а вторая - через отключающую катушку масляного выключателя и контакты реле.
