15. układy połączeń przekładników prądowych i napięciowych

15. UKŁADY POŁĄCZEŃ PRZEKŁADNIKÓW
PRĄDOWYCH I NAPIĘCIOWYCH
15.1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z najczęściej spotykanymi układami połączeń
przekładników prądowych i napięciowych stosowanymi w sieciach i stacjach
elektroenergetycznych. W ramach ćwiczenia badane są wybrane układy
przekładników pracujące w sieci trójfazowej.
15.2. Wiadomości podstawowe
Pomiar prądu i napięcia w sieci trójfazowej wymaga zastosowania określonego
układu połączeń przekładników prądowych i napięciowych. Łączenie przekładników
w odpowiednie układy ma na celu przede wszystkim uzyskanie sygnałów
wypadkowych będących wynikiem różnych operacji na sygnałach wyjściowych (np.
sumowanie, odejmowanie), dostosowanych do określonego celu pomiarów
w układach zabezpieczeń i automatyki. Nie bez znaczenia są również względy
oszczędnościowe, pozwalające na zmniejszenie liczby przekładników oraz
przewodów łączących je z zasilanymi obwodami.
Ze względu na bezpieczeństwo obsługi wymaga się, aby jeden punkt obwodu,
galwanicznie połączony z uzwojeniem wtórnym przekładników, był uziemiony. Jako
zasadę przyjęto uziemienie punktu bezpośrednio przy przekładniku, a nie przy
miernikach, które przekładnik zasila. Należy również pamiętać o tym, że przerwa
w obwodzie wtórnym przekładnika prądowego może spowodować wzrost napięcia na
jego zaciskach do wartości niebezpiecznych dla obsługi oraz przegrzanie rdzenia,
prowadzące do uszkodzenia izolacji przekładnika. Dlatego połączenia w obwodach
wtórnych przekładników prądowych powinny być wykonane w taki sposób, aby
zmniejszyć do minimum ryzyko powstania przerwy.
Układy połączeń przekładników prądowych. W zależności od potrzeb przekładniki
prądowe w zainstalowane w sieci trójfazowej mogą pracować w następujących
układach połączeń:
• gwiazdowym,
• niepełnej gwizdy,
• trójkątowym,
• krzyżowym,
• Holmgreena.
Układ gwiazdowy (rys. 15.1) jest stosowany w sieciach o uziemionym punkcie
neutralnym Przyrządy pomiarowe bądź przekaźniki są zainstalowane w przewodach
fazowych oraz w przewodzie łączącym punkty gwiazdowe obwodu wtórnego. Dzięki
temu możliwy jest pomiar zarówno prądów fazowych jak i prądu składowej kolejności
zerowej, wynikającej z sumy geometrycznej tych prądów (przy założeniu, że przebiegi
prądów są nieodkształconymi przebiegami sinusoidalnymi). W automatyce
zabezpieczeniowej układ gwiazdowy służy do zasilania zabezpieczeń od zwarć
międzyfazowych i doziemnych.
L1
P1
S1
L2
S2
P1
I'L1
A
IL2
P2
S1
L3
IL1
P2
S2
P1
I'L2
A
IL3
P2
S1
S2
A
I'L3
I'L1+ I'L2+ I'L3
A
Rys. 15.1. Schemat układu gwiazdowego przekładników prądowych.
Układ trójkątowy (rys. 15.2) jest stosowany zwykle w układach automatyki
zabezpieczeniowej do zasilania zabezpieczeń wykorzystujących w swym działaniu
różnicę prądów fazowych (zabezpieczenia odległościowe, zabezpieczenia
transformatorów o przynajmniej jednym uzwojeniu połączonym w gwiazdę,
przekaźniki różnicowe). W układzie tym przekaźniki lub przyrządy pomiarowe mierzą
różnicę prądów fazowych. Prąd składowej kolejności zerowej nie jest mierzony, gdyż
zamyka się wewnątrz trójkąta uzwojeń wtórnych przekładników. Urządzenia
pomiarowe reagują w tym układzie w różny sposób na różne rodzaje zwarć, dlatego
układ trójkątowy nie może być wykorzystywany do zasilania zabezpieczeń
nadprądowych.
Układ niepełnej gwiazdy (rys. 15.3), nazywany również układem „V” umożliwia
pomiar prądu w fazach, w których zainstalowane są przekładniki, natomiast pomiar w
fazie trzeciej jest możliwy w przypadku obciążenia symetrycznego (suma prądów
fazowych jest równa zeru). Układ ten nie reaguje na jednofazowe zwarcia doziemne
występujące w fazie, w której nie zainstalowano przekładnika. Z tego względu jest
stosowany w sieciach z izolowanym punktem neutralnym, o niewielkim prądzie
zwarcia doziemnego.
L1
P1
S1
L2
S2
P1
I'L1 - I'L2
A
IL2
P2
S1
L3
IL1
P2
S2
P1
I'L2 - I'L3
A
IL3
P2
S1
S2
I'L3 - I'L1
A
Rys. 15.2. Schemat układu połączeń przekładników prądowych w trójkąt.
L1
P1
S1
L2
IL1
P2
S2
P1
I'L1
A
IL2
P2
S1
S2
I'L2
A
IL3
L3
A
I'L1+ I'L2
Rys. 15.3. Schemat układu połączeń przekładników prądowych połączonych w niepełną gwiazdę.
Układ krzyżowy (rys. 15.4) umożliwia pomiar różnicy geometrycznej prądów
dwóch faz. Jest stosowany w układach automatyki zabezpieczeniowej w sieciach
o nieuziemionym bezpośrednio punkcie neutralnym. Podobnie jak układ niepełnej
gwiazdy, nie reaguje on na zwarcia z ziemią tej fazy, w której nie ma przekładnika.
Wartość mierzonego prądu w różny sposób zależy od rodzaju zwarcia w sieci, jak to
zilustrowano na ry. 15.4.
Układ Holmgreena (rys. 15.5) jest stosowany do pomiaru składowej symetrycznej
zerowej prądu w sieci trójfazowej i przeznaczony zasadniczo do zasilania
zabezpieczeń ziemnozwarciowych. Przekładniki prądowe stosowane w tym układzie
powinny mieć identyczne parametry, gdyż w przeciwnym razie pojawiają się
w układzie prądy wyrównawcze zmniejszające czułość zabezpieczenia.
IL1
L1
P1
L2
S2
P1
L3
IL2
P2
S1
IL2 - IL3
IL1
A
IL3
I'L3
I'L2
-I'L3
S2
Zwarcie dwufazowe L2, L3
-I'L3
IP=2I'L2
IL2
IP= 3 I'L2
IL2
IL3
P2
S1
Zwarcie trójfazowe
Zwarcie dwufazowe L1, L2
IL2
I'L2
IL3
I'L3
I'L2
IL3
IP=I'L2
Rys. 15.4. Schemat połączeń przekładników prądowych w układzie krzyżowym oraz wykresy
wskazowe prądów dla charakterystycznych stanów zwarcia
L1
P1
P2
S1
L2
S2
P1
L3
I'L1
P2
S1
S2
P1
S2
A
IL2
I'L2
P2
S1
IL1
IL3
I'L3
I'L1+ I'L2+ I'L3
Rys. 15.5. Schemat połączeń przekładników prądowych w układzie Holmgreena.
Układy połączeń przekładników napięciowych. Przekładniki napięciowe służą do
transformacji wysokiego napięcia na niższe, przy którym jest możliwe bezpośrednie
podłączenie przyrządów pomiarowych i zabezpieczeniowych. W przeciwieństwie do
przekładników prądowych, uzwojenia pierwotne przekładników napięciowych są
włączane do sieci równolegle, a więc ich działanie jest identyczne jak
transformatorów. Wyróżnia się dwie konstrukcje przekładników napięciowych [15.3]:
• indukcyjne, które są transformatorami pomiarowymi z uzwojeniem pierwotnym
przyłączonym bezpośrednio do sieci; są one budowane przeważnie na napięcia
znamionowe strony pierwotnej w zakresie napięć średnich, tj. od 6 kV do 30 kV,
• pojemnościowe, w których transformator pomiarowy jest zasilany
z pojemnościowego dzielnika napięciowego, dzięki czemu izolacja samego
transformatora może być zbudowana na znacznie niższe napięcie niż
w przekładnikach indukcyjnych; przekładniki pojemnościowe są stosowane
w sieciach najwyższych napięć, tj. dla napięć znamionowych 110 kV i wyższych.
L1
L2
L3
A
C
a
c
Rys. 15.6. Schemat układu połączeń przekładników napięciowych w niepełną gwiazdę (układ V).
W zakres ćwiczenia wchodzi badanie przekładników napięciowych indukcyjnych.
Przekładniki napięciowe budowane są zwykle jako aparaty jednofazowe, które do
pracy w sieci trójfazowej są łączone w odpowiednie układy połączeń. Najczęściej są
stosowane dwa układy połączeń przekładników napięciowych:
• układ niepełnej gwiazdy (układ oszczędnościowy nazywany układem „V”),
• układy gwiazdowe.
Układ niepełnej gwiazdy (rys. 15.6) składa się z dwóch przekładników
włączonych na napięcia międzyprzewodowe, dzięki czemu można odtworzyć
wartości wszystkich trzech napięć międzyprzewodowych. Układ ten jest
stosowany na ogół w sieciach z izolowanym punktem neutralnym.
Układy gwiazdowe (rys. 15.7) są stosowane zarówno w sieciach z uziemionym jak
i izolowanym punktem neutralnym, odpowiednio z uziemionym (rys. 15a) lub
izolowanym (rys. 15b) punktem gwiazdowym uzwojeń pierwotnych. Produkowane są
również przekładniki napięciowe trójuzwojeniowe, wyposażone w dwa uzwojenia
wtórne (rys.15.7c). Uzwojenia dodatkowe łączy się w otwarty trójkąt. Przekładnik
trójuzwojeniowy umożliwia pomiar napięć fazowych i przewodowych (rys. 15.8) oraz
pomiar napięć w przypadku asymetrii sieci trójfazowej względem ziemi.
b) L1
L2
L3
a) L1
L2
L3
c) L1
L2
L3
A
B
C
A
B
C
A
B
C
a
b
c
a
b
c
1a
1b
1c
2a
2b
2c
Rys. 15.7. Układy gwiazdowe połączeń przekładników napięciowych;
L1
L1
L2
N
UL3L2
UZL3
L2
L3
N
U
U
U L3N
U
L2
N
ZL 2
L2
UL3L2
U
ZL2
U
U'
L2
UZN
ZL
1
L1
L3
U
L1
L3
U
UL1N
1
Z
U L2L
1
N
U L3N
L3
U L2L
UL1N
ZL
1
b)
U
a)
U'L1
U' L3
3xU
ZN
=3xU
UZL3
0
Rys. 15.8. Wykresy wskazowe napięć mierzonych w układzie przekładników z rys. 15.7.c podczas
normalnej pracy sieci (a) oraz podczas doziemienia fazy L3 poprzez impedancję; UL1L2, UL3L2, UL2L1
napięcia międzyprzewodowe, UZL1, UZL2, UZL3 – napięcia względem faz i ziemi, UL1N, UL2N, UL3N –
napięcia względem faz i punktu neutralnego sieci, UZN = U0 – napięcie pomiędzy ziemią a punktem
neutralnym sieci podczas doziemienia jednej z faz przez impedancję, równe napięciu kolejności zerowej.
15.3. Niezbędne przygotowanie studenta
Przed przystąpieniem do ćwiczenia studenci powinni zapoznać się z materiałem
dotyczącym układów połączeń przekładników zawartym m.in. w pozycjach [15.3
i 15.4].
15.4. Opis stanowiska laboratoryjnego
Stanowisko laboratoryjne jest wyposażone w trójfazowy autotransformator, zestaw
przekładników prądowych i napięciowych, regulowanych dławików i rezystorów oraz
zestaw przyrządów pomiarowych, umożliwiających budowę różnych układów
połączeń, zgodnie ze schematami z rys. 15.1 – 15.7. Schemat połączenia obwodów
pierwotnych układu laboratoryjnego do badania przekładników prądowych
przedstawiono na rys. 15.9. Obwody wtórne przekładników w tym układzie należy
połączyć zgodnie ze wskazaniami prowadzącego ćwiczenie, wykorzystując schematy
z rys. 15.1 – 15.5. Podobnie należy połączyć układ badanych przekładników
napięciowych.
Symulacja określonego rodzaju obciążenia układu przekładników (symetrycznego
lub niesymetrycznego, dla stanu obciążenia roboczego i stanu zwarcia)
przeprowadzana jest przez odpowiednią kombinację połączeń łączników K1, K2 i K3
oraz dobór odpowiedniej reaktancji L i rezystancji R obwodu.
Podczas łączenia układu pomiarowego należy pamiętać, aby jeden punkt obwodu
wtórnego przekładników, znajdujący się bezpośrednio przy zaciskach wtórnych, był
uziemiony.
Atr
W
P1
L1
A
L2
A
L3
A
S1
P2
S2
L
R
K1
K2
N
K3
A
Rys. 15.9. Schemat układu laboratoryjnego ilustrujący połączenie obwodów pierwotnych przekładników
prądowych; Atr – autotransformator trójfazowy, L, R – zestaw regulowanych indukcyjności i rezystancji
trójfazowych, W – łącznik główny, K1, K2, K3 – łączniki do symulacji symetrycznych i
niesymetrycznych stanów obciążenia.
15.5. Program ćwiczenia
Program ćwiczenia przewiduje zestawienie i przebadanie wybranych, wskazanych
przez prowadzącego, układów połączeń przekładników prądowych i napięciowych,
przedstawionych na schematach z rys. 15.1 – 15.7, w układzie laboratoryjnym z rys.
15.9. Badania należy przeprowadzić z uwzględnieniem właściwości poszczególnych
układów opisanych w punkcie 15.2 oraz zgodnie z zakresem prac podanych przez
prowadzącego.
15.6. Opracowanie wyników badań
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:
1. Opis przebadanych układów połączeń przekładników wraz z ich schematami.
2. Zestawienie wyników pomiarów dla różnych, charakterystycznych stanów
obciążenia.
3. Wnioski wynikające z przeprowadzonych badań.
15.7. Literatura
[15.1] PN-EN 60044-1 Przekładniki. Przekładniki prądowe. PKN 2000.
[15.2] PN-EN 60044-2 Przekładniki. Przekładniki napięciowe indukcyjne. PKN 2001.
[15.3] Markiewicz H.: Urządzenia elektroenergetyczne, WNT, Warszawa, 2001.
[15.4] Markiewicz H.: Aparaty elektryczne, PWN, Warszawa 1989.