Условия работы ТТ в устройствах защиты и автоматики существенно отличаются от условий их работы в схемах измерения. Если для измерительных цепей требуется работа ТТ определенного класса точности при первичном токе, не превышающем номинальный, и притом в установившемся режиме, то в устройствах релейной защиты в большинстве случаев ТТ должны выполнять свои функции при токах, значительно больших номинального, в условиях переходного режима, например возникающего при коротком замыкании.
Особое влияние на работу ТТ оказывают свободные апериодические составляющие первичного тока, появляющиеся в переходных режимах. Эти составляющие трансформируются во вторичную цепь ТТ тем с большей погрешностью, чем медленнее они затухают, т. е. с увеличением времени затухания все большая доля апериодической составляющей первичного тока расходуется на намагничивание магнитопровода трансформатора тока. Так, при постоянной времени Тг > 0,05 с максимальное значение апериодической составляющей тока намагничивания во много раз превышает его периодическую составляющую.
В связи с этим условия эксплуатации ТТ, применяемых в современных энергосистемах, становятся все более тяжелыми. Замкнутые стальные Магнитопроводы существующих ТТ подвержены сильному насыщению апериодическими составляющими тока, т. е. резкому уменьшению их магнитной проницаемости. Это приводит к недопустимому увеличению погрешности таких ТТ в переходных режимах. Особенно большие погрешности имеют место, когда в магнитопроводе ТТ сохраняется остаточный магнитный поток, совпадающий по направлению с потоком апериодической составляющей тока намагничивания.
Обычно вынужденная периодическая составляющая первичного тока считается синусоидальной, а сумма апериодических составляющих заменяется результирующей экспонентной. В переходных режимах первичный ток ТТ может содержать наряду с вынужденной периодической и свободными апериодическими составляющими, также и затухающие свободные периодические составляющие. Значительные свободные периодические составляющие возникают, если в электрической системе имеются устройства емкостной компенсации либо длинные линии электропередачи (напряжением 330 кВ и выше), с распределенными параметрами. Однако в большинстве случаях упомянутые свободные периодические составляющие можно не учитывать и считать, что первичный ток изменяется по закону
В этом выражении I1перт — амплитуда первичного периодического тока, зависящая от условий КЗ, дх — угол, характеризующий фазу этого тока в начальный момент времени переходного процесса (t = 0); Iia.Ha4 — начальное значение апериодической составляющей тока; = L^IRi — постоянная времени затухания этой составляющей, равная отношению индуктивности первичной цепи к ее активному сопротивлению.
Постоянная времени Тх может изменяться от сотых до десятых долей секунды в зависимости от места и характера КЗ в системе. Подчеркнем, что угол <5j и постоянная времени Тх оказывают весьма значительное влияние на переходные процессы в ТТ, причем это влияние тем больше, чем меньше (3j и чем больше 7\. На характер переходного процесса заметно влияют также значение и вид нагрузки, включенной во вторичную цепь ТТ. Практический интерес представляет включение во вторичную цепь ТТ индуктивности и активного сопротивления, соединенных последовательно.
Развитие современных электрических систем характеризуется увеличением постоянной времени Тг до десятых долей секунды, снижением времени срабатывания реле до 0,02 с и менее и времени отключения аварийных режимов до 0,06 с. Переходные процессы в первичной цепи и в самих ТТ в общем случае нарушают нормальную трансформацию токов, происходящую в установившихся режимах. При недостаточном учете влияния переходных процессов возможны замедленные и неправильные срабатывания устройств защиты и автоматики.
При рассмотрении погрешности ТТ, работающих в переходных режимах, следует иметь в виду закон изменения первичного тока. В большинстве случаев достаточно учитывать первичный ток, вынужденная составляющая которого является косинусоидой (<5 = 0), а свободная составляющая — экспонентой, затухающей с постоянной времени Однако на линиях электропередачи сверхвысоких напряжений приходится принимать во внимание более сложную форму кривой первичного тока, содержащего свободные периодические составляющие, в то время как в распределительных сетях 6 — 35 кВ ими пренебрегают ввиду весьма их быстрого затухания.
Особенностью всех погрешностей ТТ в переходных режимах является их зависимость от времени. Только при условии, что магнитопровод ТТ имеет практически линейную характеристику намагничивания, а вынужденная составляющая первичного тока остается неизменной на протяжении всего процесса КЗ, погрешности трансформации этой составляющей также не изменяются, хотя другие погрешности изменяются во времени.
На основании опыта эксплуатации существующих систем релейной защиты и опыта разработки можно считать, что полную информацию о виде, месте и кратности тока КЗ дает вынужденная составляющая первичного тока Iinep. Свободные составляющие несут информацию о моменте КЗ и о других начальных условиях, которые являются случайными. Для измерительных органов релейной защиты свободные составляющие являются помехой, а первичный ток переходного режима, содержащий эти составляющие — искаженным сигналом.
В связи с этим во многих быстродействующих системах релейной защиты и автоматики между ТТ и измерительными органами устанавливают специальные устройства для разделения полезного сигнала и помехи (трансреакторы, частотно-избирательные схемы). Эти устройства обеспечивают поступление в измерительные органы только вынужденной составляющей.
Из вышеизложенного вытекает, что при эксплуатации ТТ в большинстве случаев достаточно обеспечивать не выше допустимых погрешности трансформации вынужденной периодической составляющей первичного тока. Эти погрешности целесообразно оценивать аналогично погрешностям установившегося режима, т.е. определять для заданного момента времени tp:
токовую погрешность, %
В некоторых системах защиты и автоматики приходится использовать непосредственно свободные составляющие первичного тока. Так, в схемах дифференциальных защит для их торможения с целью отстройки от токов небаланса используются начальные свободные апериодические либо высшие гармонические составляющие первичного тока. Здесь возникает необходимость определять погрешности трансформации свободных составляющих первичного тока. Трансформация свободных апериодических составляющих первичного тока характеризуется максимальным относительным значением апериодической составляющей тока намагничивания/ Прохождение через ТТ свободных периодических составляющих первичного тока описывается амплитудно-частотной п фазочастотной характеристиками ТТ, которые получаются экспериментально.
При эксплуатации ТТ в переходных режимах следует учитывать, что после отключения КЗ во вторичной цепи ТТ может возникать свой переходный процесс. Этот процесс целесообразно контролировать с помощью характеристик отключения, представляющих собой зависимость свободного вторичного тока от времени, прошедшего после отключения КЗ, рассматриваемые как особая разновидность погрешности ТТ.
Из вышеизложенного видно, что работа ТТ в различных схемах релейной защиты и автоматики в переходных режимах может характеризоваться большим числом различных видов погрешностей, что вызывает затруднения в удовлетворении требования ограничения всех видов погрешности. Если завод-изготовитель в информационных материалах не предусматривает учет всех фактически возможных погрешностей ТТ, эти погрешности определяются существующими методами расчета или экспериментальным путем.
В настоящее время, в отличие от установившихся режимов работы, отсутствует общепринятая регламентированная система видов погрешностей, необходимых для оценки точности работы ТТ в переходных режимах. Не нормированы и численные значения этих погрешностей. Следует иметь в виду, что обеспечить необходимую точность работы ТТ в переходных режимах значительно труднее, чем в установившихся. Улучшить эксплуатационные характеристики ТТ в установившихся и в переходных режимах позволяет применение новых методов построения ТТ (например, оптикоэлектронные ТТ), так и применением следующих способов ограничения погрешностей:
создание путей для апериодической составляющей первичного тока помимо ветви намагничивания ТТ;
увеличения магнитной проницаемости магнитопровода в режиме насыщения;
устранение или снижение остаточной индукции в магнитопроводе;
ограничение максимальной рабочей индукции в магнитопроводе ТТ и уменьшении магнитной проницаемости.