Катушки Роговского – реальная альтернатива традиционным ТТ

Вместе с тем, эксплуатация вышеупомянутых датчиков тока является более «продвинутой», поскольку они: обладают необходимой точностью измерений во всех режимах работы, имеют линейные рабочие характеристики, обладают компактными размерами и весят во много раз меньше «традиционных» ТТ. Такие датчики тока имеют низкое напряжение выходного сигнала в нормальном режиме работы, а при повреждениях это напряжение не превышает допустимых безопасных пределов. Современные катушки Роговского, речь о которых пойдет в настоящей статье, обеспечивают требуемую точность как для целей защиты, так и для целей учета электроэнергии.

Но обо всем по порядку.

1 Конструкция

В катушках Роговского используются те же самые принципы работы, что и в традиционных трансформаторах тока с металлическим сердечником. Основное отличие заключается в том, что намотка катушки Роговского осуществляется на немагнитный сердечник, результатом чего является линейность характеристики, поскольку сердечник не насыщается.

Однако, в отличие от традиционных ТТ, вторичный ток которых пропорционален первичному току, выходное напряжение катушек Роговского является масштабированной производной по времени di(t)/dt первичного тока. Для устройств защиты, которые используют в работе аналоговые значения промышленной частоты, необходима дополнительная обработка входного сигнала от датчиков тока, а микропроцессорное оборудование должно иметь конструктивную возможность принимать сигналы такого типа.

Катушки Роговского классифицируются как маломощные токовые датчики, а требования к ним определяются стандартами IEC и IEEE.

Стандарт IEEE C37.235-2007 содержит руководящие указания по применению катушек Роговского для релейной защиты.

Конструктивно обмотки высокоточных катушек Роговского выполнены в виде многослойных печатных плат из немагнитного материала. По этой причине взаимная индукция между первичной и вторичной обмотками очень мала, и на измерения могут повлиять внешние электромагнитные поля. Следовательно, для создания качественных токовых датчиков должны выполняться два основных критерия:

• выходной сигнал не должен зависеть от положения первичного проводника в пределах витка обмотки,
• влияние близлежащих проводников, по которым протекают большие токи, на выходной сигнал должно быть минимальным.

Для выполнения первого критерия взаимоиндукция должна иметь постоянное значение при любом положении первичного проводника в пределах витка обмотки. Этого можно достичь при следующих условиях:

• намотка обмотки выполняется на сердечник с одинаковым поперечным сечением по всей его длине,
• намотка осуществляется перпендикулярно оси замкнутой окружности и при условии постоянной плотности намотки.

Также, датчики тока должны бать двух исполнений: с замкнутым сердечником и с разомкнутым сердечником. Наличие второго исполнения позволяет устанавливать катушки без размыкания (отключения, разрезания) главных цепей. Такие типы также подходят для установки на несколько проводов, либо для установки на шины большого сечения. На рис. 1 показано несколько вариантов конструктивного исполнения катушек Роговского.

Рис. 1. Варианты конструкции катушки Роговского.

Катушки Роговского можно подключить к реле защиты с помощью экранированной витой пары и соответствующих разъемов. Это обеспечивает простоту установки и предотвращает ошибки при подключении оборудования. Клеммные блоки не требуются, поскольку напряжение выходного сигнала катушки является минимальным с точки зрения безопасности. Кроме того, это напряжение не увеличивается при размыкании вторичной обмотки. Суммирующий блок обеспечивает электрическое сложение сигналов от двух секций катушки Роговского и передает этот суммарный сигнал в реле защиты. Такие датчики также можно подключать к устройствам защиты с помощью оптоволоконных кабелей.

В настоящее время идет работа над международным стандартом IEC 61869, который позволит определить стандартные требования к конструкции датчиков тока и их применению, например, к классу точности и стандартам вторичных сигналов. Стандарт IEC 61869 будет способствовать лучшему пониманию технологий, оказывать поддержку и увеличивать степень доверия к эксплуатируемым устройствам. При правильном подходе к разработке стандартов нетрадиционные ТТ могут обладать характеристиками, удовлетворяющими требованиям как со стороны системы учета электроэнергии, так и со стороны комплексов РЗА. Другим направлением деятельности МЭК является разработка стандарта IEC 61869-13: независимый модуль сопряжения (Stand-Alone Merging Unit — SAMU). Этот стандарт также будет оказывать поддержку и увеличивать степень доверия к эксплуатируемым датчикам тока.

2 Установка

При установке катушек в процессе модернизации соответствующих систем на подстанции не требуется вносить никаких изменений в существующую первичную схему электрических соединений. Для ввода модернизированной системы требуется минимальное время вывода соответствующих цепей из работы. На рис. 2 приведены несколько примеров установки катушек Роговского:

Рис. 2. Примеры установки катушек Роговского.

(a)и(b)—для дифференциальной защиты силовых трансформаторов дуговой электропечи,
(с) — катушка охватывает несколько проводников,
(d)—катушка охватывает проводники большого сечения,
(e)и(f) — для дифференциальной защиты силовых кабелей,
(g) — катушка охватывает ввод силового трансформатора для организации дифференциальной защиты,
(h)—для организации дифференциальной защиты батарей конденсаторов.

3 Преимущества и особенности

Катушки Роговского обладают современными рабочими характеристиками, однако, при проектировании необходимо понимать и учитывать некоторые их особенности.

Преимущества:

• Один и тот же датчик тока может удовлетворять предъявляемым требованиям в широком диапазоне протекающих токов, а также обеспечивать показатели точности, необходимые как для учета электроэнергии, так и для релейной защиты. Это существенное преимущество над традиционными ТТ, потому что для соответствия требованиям, предъявляемым со стороны защиты и измерительного оборудования может потребоваться установка нескольких ТТ различного класса точности и с разными коэффициентами трансформации.
• Катушки Роговского можно проектировать для преобразования сигналов с высокой частотой (в МГц диапазоне), что позволяет реализовывать системы РЗА на основе волновых методов (метод «бегущей волны»).
• Катушки имеют хорошую совместимость с комплексами РЗА, построенными на базе современных коммуникационных систем согласно стандартам IEC 61850.
• Катушки Роговского можно комбинировать с существующими традиционными ТТ. Например, при модернизации систем РЗА один полукомплект дифференциальной защиты может быть подключен к традиционному ТТ, а второй — к датчику тока.
• Небольшой вес и размеры, что позволяет проектировать распредустройства более компактных размеров и меньшей массы.
• Датчики более безопасны для персонала и оборудования, поскольку выходные сигналы находятся в безопасных диапазонах (порядка нескольких вольт) в любых режимах работы, включая повреждения в энергосистеме.
• Легкость установки благодаря конструкции, состоящей из отдельных секций, как следствие, не требуется вносить изменения в существующую схему электрических соединений, а также разрезать или разъединять первичный провод.
• Из-за того, что выходной сигнал катушек Роговского маломощный и низковольтный, вторичные сигналы можно передавать по экранированной витой паре с необходимыми разъемами. Это помогает предотвратить ошибки подключения.
• Время простоя при установке датчиков тока в существующие электроустановки будет минимальным или отключение не понадобится совсем.
• Катушки Роговского безопасны для окружающей среды, поскольку в них не используется масляная или газовая изоляция.

Вместе с тем, необходимо учитывать следующие факторы:

• Технический персонал хорошо знаком с традиционными технологиями, но не настолько хорошо знаком с датчиками тока.
• Выходной сигнал катушки Роговского — это низковольтный сигнал. Фазовый угол между вторичным напряжением и первичным током составляет 90°. Этот фазовый угол необходимо учитывать при проектировании комплексов РЗА.
• Катушки Роговского являются частотно-зависимыми устройствами. Они усиливают более высокие частоты с линейной зависимостью между выходным сигналом катушки и частотой, вызывая усиление гармоник по гармоническому порядку. Корректный учет значений гармонических составляющих в схемах защиты может быть получен путем простого деления записанных гармоник на гармонический порядок.
• Высокочастотные явления, такие как удары молний или высокочастотные импульсы напряжения, возникающие при коммутационных операциях в КРУЭ, могут наводить во вторичной обмотке катушки Роговского маломощные высоковольтные сигналы. Эти сигналы эффективно подавляются собственной емкостью существующих вторичных контрольных кабелей или при использовании полупроводниковых ограничителей. На момент выхода настоящей статьи информация о таких отрицательных эффектах отсутствовала. В некоторых случаях высокочастотные импульсы могут попасть на входы устройства защиты. Когда это происходит, такие импульсы могут быть обработаны как протекание большого тока, что может привести к излишнему срабатыванию реле. Во избежание излишних срабатываний необходимо разработать специальные алгоритмы выявления подобных импульсов.
• Также необходимо применять специальные алгоритмы для обнаружения броска тока намагничивания при включении силового трансформатора. Традиционно во избежание ложных срабатываний защиты при включении силового трансформатора использовался метод торможения по второй гармонике. Однако, для некоторых мощных силовых трансформаторов этот метод не может обеспечить надежное формирование сигналов торможения по второй гармонике. В комплексах РЗА, где применяются рассматриваемые в этой статье катушки Роговского, используются алгоритмы, позволяющие надежно распознавать броски тока намагничивания трансформатора. Для этого анализируется форма выходного сигнала di(t)/dt катушки Роговского. Вместо анализа содержания второй гармоники в протекающем токе в этой методике используется контроль отдельных участков кривой тока намагничивания и их анализ. Для тока намагничивания скорость изменения тока небольшая (кривая di(t)/dt имеет плоские участки).

4 Примеры применения

В настоящее время в эксплуатации находится целый ряд комплексов РЗА, подтверждающих успешную и надежную работу с применением катушек Роговского, а срок эксплуатации составляет более 10 лет. Приведу несколько примеров.

Защита кабельных линий

Первая дифференциальная защита силового кабеля, где применяются катушки Роговского, была введена в эксплуатацию в 2010 году на комбинированной воздушно-кабельной линии 220 кВ. На каждом конце защищаемого силового кабеля установлено по три катушки Роговского и по одному реле защиты. Обмен данными между реле осуществляется по оптическим кабелям, как это показано на рис. 3.

Рис. 3. Дифференциальная защита силового кабеля высокого напряжения.

Защита батарей конденсаторов

Первая дифференциальная защита батареи конденсаторов, в которой были применены катушки Роговского, была установлена в 2012 году (мощность БК 30 Мвар, наибольшее рабочее напряжение 60 кВ, конструкция звезда-звезда). Для этой схемы датчики установлены в каждом плече трехфазной батареи конденсаторов. Катушки Роговского спроектированы для работы на небольшом уровне напряжения изоляции, поэтому для работы на уровне испытательного напряжения 350 кВ катушки подключались к реле через систему оптических кабелей. Пусконаладочные проверки показали, что значения дифференциальных токов находятся на уровне 0,2 А, что подтверждает хорошие показатели системы (система симметрична). На примере этого комплекса РЗА также было подтверждена возможность обеспечить стойкость сигнала к электромагнитным помехам.

Совместная работа традиционных ТТ и катушек Роговского

Для организации релейной защиты силовых кабелей на каждом конце защищаемого кабеля требуется установить трансформаторы или датчики тока и одно реле (полукомплект). Такое «гибридное» решение на базе традиционных ТТ и катушек Роговского успешно подтвердило свою состоятельность. Проектирование и ввод в эксплуатацию первого «гибридного» комплекса РЗА было выполнено в 2017 г. В качестве функции защиты используется дифференциальная защита силовых кабелей длиной 13 км, которые соединяют КРУЭ с воздушными линиями класса напряжения 220 кВ. По всей длине силовых кабелей предусмотрены оптические кабели для организации связи.

Рис. 4. Комплекс РЗА на базе традиционных ТТ и катушек Роговского.

Решения на базе протокола IEC 61850-9-2

Комплексы РЗА с применением шины процесса, определяемой стандартом IEC 61850-9-2, становятся все более распространенными, по всему миру уже имеется целый ряд реализованных решений такого рода. Катушки Роговского обладают техническими характеристиками, которые удовлетворяют требованиям, предъявляемым проектами на базе шины процесса и хорошо подходят для надежной работы в составе цифровых подстанций.

Рис. 5. Сравнение выходных сигналов катушки Роговского согласно IEC 61850-9-2 и вторичных сигналов лабораторных трансформаторов тока.

На рис. 5 показано сравнение результатов испытаний, при которых моделировались повреждения в энергосистеме, для катушек Роговского и высокоточных лабораторных трансформаторов тока. Тестовые формы сигналов синхронизировались с помощью GPS. Восстановленный выходной сигнал катушки Роговского соответствовал аналоговым сигналам лабораторных трансформаторов тока.