Prof. dr. sc. Ante MarušićFakultet elektrotehnike i računarstva Zagreb

Zavod za visoki napon i energetikuante.marusic@fer.hr

2009/2010

Proračun strujnih transformatora za zaštituenergetskih transformatora

2

Uvod

• Općenito o strujnim transformatorima• Definiranje točnosti strujnih transformatora za zaštitu:

– nazivnom primarnom graničnom strujom točnosti;– nazivnom primarnom strujom;– nazivnom sekundarnom strujom;– klasom točnosti;– graničnim faktorom točnosti.

• Istosmjerna komponenta struje kratkog spoja• Razvoj elektroenergetskog sustava

3

Karakteristike mjernih transformatora definirane su IEC standardom

• IEC 60044-1 Strujni transformatori• IEC 60044-2 Induktivni naponski transformatori• IEC 60044-3 Kombinirani naponski transformatori• IEC 60044-5 Kapacitivni naponski transformatori• IEC 60044-6 Strujni transformatori pri prijelaznim

stanjima• IEC 60044-7 Elektronički naponski transformatori• IEC 60044-8 Elektronički strujni transformatori

4

2 4 6 8 10

2

4

6

8

10

2

3

4

1I2I2n

I1I1n

I2I2n

I1I1n=

Nadstrujna karakteristika strujnog transformatora za zaštitu i mjerenje

1 - idealna karakteristika ST za zaštitu, 2 - idealna karakteristika ST za mjerenje,3, 4 - strujna karakteristika ST za mjerenje pri 100% i 50% opterećenja

5

Granični faktor točnosti (ALF)

• Granični faktor točnosti je omjer nazivne primarne granične struje točnosti i nazivne primarne struje. Ustaljena oznaka (starija literatura) za granični faktor točnosti ili nadstrujni broj je n. Standardne vrijednosti graničnog faktora točnosti su 5, 10, 15, 20 i 30.

• Graničnim faktorom točnosti približno je određena indukcija pri nazivnoj struji i opterećenju Bn u odnosu na indukciju koljena Bg na krivulji magnetiziranja magnetskog kruga.

6

Bg

Bn

i0

n =

Bg

Bn

Nelinearna karakteristika magnetske jezgre strujnog transformatora

7

• Obzirom na vladanje strujnog transformatora pri strujama većim od nazivne razlikujemo strujne transformatore za mjerenje i strujne transformatore za zaštitu. Vladanje strujnog transformatora za mjerenje u području struja viših od nazivne karakterizirano je nazivnom sigurnosnom strujom I1s koju definiramo relacijom:

• gdje je Fs faktor sigurnosti. • Standardizirane vrijednosti su Fs=5 i Fs=10.

Faktor sigurnosti

2S 1SS

2n 1n

0,9 0,9I I

FI I

8

• Nazivna termička struja kratkog spoja je efektivna vrijednost primarne struje koju će transformator izdržati u vremenu od 1 sekunde, a da ne pretrpi znatna oštećenja pri kratkospojenom sekundarnom namotu. Ukoliko kratki spoj djeluje više od 1 sekunde, nova termička granica određuje se relacijom:

• Standardne efektivne vrijednosti primarnih struja (kA) su:

Nazivna termička struja kratkog spoja

thth

II

t

6.3 8 10 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100

9

Dinamička granična struja

• Dinamička granična struja Idin je tjemena vrijednost koju strujni transformator može izdržati pri kratkospojenom sekundarnom namotu, a da ga ne oštete sile koje uzrokuje ta struja.

• S gledišta pogona dijela EES polazi se od pretpostavke da za definirane parametre ne smije doći do zasićenja magnetskog kruga u vremenu bitnom za pravilan rad zaštitnog uređaja pri nastanku kvarova u mreži.

10

ii1

i2

t

t

B

Bsat

Oblik primarne i sekundarne struje u prijelaznom stanju sa zasićenjem magnetske jezgre

11

Zasićenje magnetske jezgre

• Moguća su tri zahvata da bi se izbjeglo zasićenje magnetske jezgre

• Nastojati da ukupni otpor sekundarnog namota Rs bude što manji

• Povećanje umnoška broja zavoja N i površine jezgre S• Smanjenje vremenske konstante T2 sekundarnog kruga

1

2 1km s 1 1

max2

T

T TI R T TB

N S T

12

Strujni transformatori za zaštitu podijeljeni su u slijedeće klase:• Klasa P• Točnost po graničnim uvjetima definirana je pomoću složene

pogreške pri struji n Ipn.

• Klasa TPS• Transformator male rasipne reaktancije kojemu se definira

pogreška omjera broja zavoja i zahtjeva se da stvarni omjer ne prelazi 0,25% od nazivnoga. Nadalje se zahtijeva da struja magnetiziranja, pri magnetskom toku u jezgri koji je jednak onom pri graničnim uvjetima točnosti, ne prelazi 5% od nazivne kratkotrajne termičke struje preračunate na sekundarnu stranu.

13

Strujni transformatori za zaštitu podijeljeni su u slijedeće klase:• Klasa TPX• Točnost pri graničnim uvjetima definira se maksimalnom

trenutnom pogreškom pri struji kratkog spoja Kssc Ipn, za vrijeme specificiranoga radnog ciklusa. Pri tome je KSSC nazivni faktor simetrične struje kratkog spoja, tj. omjer efektivne vrijednosti simetrične struje kratkog spoja (Ipsc) i efektivne vrijednosti nazivne primarne struje (I1n).

• Klasa TPY• Točnost pri graničnim uvjetima definirana je maksimalnom

trenutnom pogreškom pri struji kratkog spoja Kssc I1n, za vrijeme specificiranoga radnog ciklusa APU.

• Klasa TPZ• Točnost pri graničnim uvjetima definira se maksimalnom

trenutnom pogreškom pri struji kratkog spoja Kssc I1n, za vrijeme jednostrukog radnog ciklusa.

14

Dopuštene pogreške strujnih transformatora za zaštitu

15

Strujni transformatori za mjerenje

• Da bi mjerni instrumenti priključeni na strujni transformator (ili jezgru) za mjerenje bili što bolje zaštićeni od struja kratkog spoja ili strujnih udara iz mreže, faktor sigurnosti (Fs) mora biti nizak.

• Na taj se način postiže da pri nazivnom teretu Zn i primarnim strujama većim od I1 = FSI1n nastaje zasićenje, zbog kojega se na sekundarnu stranu prenosi struja bitno manja od one koja bi proizašla iz nazivnog omjera transformacije.

16

Dopuštene pogreške strujnih transformatora za mjerenje

17

Označavanje priključaka STSvi priključci označeni sa P1, S1 i C1 trebaju istovremeno imati isti polaritet.

18

Proračun strujnih transformatora

Karakteristike TS 110/10(20) kV DOBRI:

• GIS izvedba – 110 kV strana

• Dva dovodna kabelska polja (110 kV)

• Dva transformatorska polja, jedno rezervno

• 10(20) kV strana uzemljena posredno

• 10(20) kV strana se sastoji od 50 polja izvedenih

zrakom izoliranim sklopnim blokovima tipa BVK

19

20

Ulazni podaci za proračun

• Energetski transformator:– Nazivna snaga Sn: 40 MVA;– Nazivni napon Un1/Un2: 110/10,5(21) kV– Nazivna struja In1/In2: 210/2200(1100) A– Napon kratkog spoja uk: 18,0 %– Gubici tereta Pg: 164,5 kW – Maksimalno dozvoljeno trajanje kratkog spoja transformatora: 2 s

• Maksimalne struje jednopolnog kvara:– kvar na sabirnicama: Ikms=25870 A, TIkms=12 ms;

– bliski kvar na vodnom polju: Ikmv=16690 A, TIkmv=12 ms;

– kvar na kraju voda: Ikmv=16000 A, TIkmv=12 ms.

21

Proračun na 10(20) kV strani, transformatorska polja

Specifikacija strujnih transformatora:• Tip: INA3-24;• Količina: 3 po polju;• Prijenosni omjer: 2500/5/5/5 A;• Prva jezgra: 30 VA, 5P20, R2 ≤ 0,6 Ω• Druga jezgra: 10 VA, 10P10, R2 ≤ 1 Ω • Treća jezgra: 10 VA, Fs10, kl. 0,5

22

Strujni transformatori tipa INA, naponski tipa VPA ugrađeni u sklopni blok BVK

23

Proračun na 10(20) kV strani, NT transformatora za uzemljenje

Specifikacija strujnih transformatora:• Tip: ANB-0,72/80; • Količina: 2 po transformatoru za uzemljenje;• Prijenosni omjer: 300/1 A;• Nazivni teret: R2 ≤ 1 Ω;• Klasa: 1/10P55;

24

Strujni transformator tipa ANB u krugu otpornika za uzemljenje

25

1. Jezgra za diferencijalnu zaštitu

• Prva jezgra strujnog transformatora spaja se na diferencijalni relej RET521 koji je ujedno i osnovna zaštita energetskog transformatora.

• Ovim relejom omogućene su slijedeće funkcije:– diferencijalna zaštita transformatora;– diferencijalna zaštita 110 kV namota od jednopolnih kvarova

(REF110);– diferencijalna zaštita 10,5 kV namota od jednopolnih

kvarova (REF10);– nadstrujna zaštita 110 kV strane I>, I>>;– nadstrujna zaštita 10,5 kV strane I>;– trenutna nadstrujna zaštita 10,5 kV strane u funkciji zaštite

između strujnih transformatora i prekidača.

26

27

28

1. Jezgra za diferencijalnu zaštitu

• Vlastita potrošnja jezgre iznosi:

• Potrošnja spojnih vodiča Pv iznosi:

• Otpr spojnih vodiča iznosi: Rv = 0,23 Ω• Potrošnja releja RET 521: Pr = 0,25 VA • Otpor mjernog ulaza releja:

2vl n vlP I R

2v n

lP I

S

rr 2

n

PR

I

2vl 5 0,5 12,5 P VA

2v

505 5,75 .

56 4P VA

r 2

0,25 0,01

5R

29

1. Jezgra za diferencijalnu zaštitu

• Zahtjevi releja RET521 na strujne transformatore:• Potreban granični napon točnosti Ugp iznosi:

• Stvarni granični napon točnosti primijenjenog strujnog transformatora Ug iznosi:

Kako je stvarni granični napon veći od potrebnog, strujni transformatori zadovoljavaju zahtjeve releja RET521.

gp nts vl v r30U I R R R

gp

220030 5 0,6 0,23 0,01 111

2500U V

ng ns vl 2

n

SU n I R

I

g 2

3020 5 0,5 170 .

5U V

30

2. Jezgra za nadstrujnu zaštitu

• Prijenosni omjer: 2500/5 A;• Druga jezgra: 10 VA; 10P10; R2 ≤1 Ω;• Druga jezgra se spaja na terminal polja REF543 i strujni

modul zaštite od električnog luka SM• Proračun se vrši na identičan način kao i za jezgru za

diferencijalnu zaštitu s time što su zahtjevi releja nešto drugačiji:

• Potreban nadstrujni broj iznosi: k

n

'I

nI

16000

' ' 6,42500

n n

31

2. Jezgra za nadstrujnu zaštitu

• Stvarni nadstrujni broj strujnog transformatora iznosi:

• Kako je stvarni nadstrujni broj veći od potrebnog, može se zaključiti da specificirani strujni transformatori zadovoljavaju zahtjeve terminala polja REF543 i strujnog modula zaštite od električnog luka SM.

n vl

v SM r vl

'P P

n nP P P P

10 25

' 10 ' 123,5 0,1 0,5 25

n n

32

33

34

3. Jezgra za mjerenje i regulaciju transformatora

• Prijenosni omjer: 2500/5 A• Treća jezgra: 10 VA; Fs10; kl. 0,5;• Jezgra se spaja na mjerni uređaj MT-10S i regulator napona

SPAU 341• Kod mjernih jezgri za energetska mjerenja jedini zahtjev po

pitanju snage je da snaga jezgre bude veća od ukupnog priključenog tereta.

• Potrošnja spojnih vodiča Pv iznosi:2

v n

lP I

S

2

v

505 5,75 .

56 4P VA

35

3. Jezgra za mjerenje i regulaciju transformatora

• Potrošnja spojene opreme• Potrošnja strujnog ulaza mjernog uređaja MT-10S kod

nazivne struje ulaza (5 A): P1 = 0,1 VA.• Potrošnja strujnog ulaza regulatora napona SPAU341 kod

nazivne struje ulaza (5 A): P2 = 0,5 VA.• Ukupan teret čine spojni vodiči, mjerni uređaj MT-10S i

regulator napona, a iznosi:

• Kako je ukupan priključeni teret manji od nazivne snage jezgre, odabrana jezgra zadovoljava zahtjeve

t 5,75 0,1 0,5 6,35 P VA

36