De ce este conceptul de „tensiune în punctul genunchiului” critic pentru performanța transformatorului de curent de protecție?

16 10, 2025

În lumea complicată a sistemelor de energie electrică, siguranța și fiabilitatea nu sunt doar atribute de dorit; sunt cerințe fundamentale, nenegociabile. În centrul acestei infrastructuri de salvgardare se află un dispozitiv aparent simplu: dispozitivul transformator de curent de protectie . Funcția sa principală este de a reduce cu precizie curenții primari mari la valori secundare standardizate, de nivel scăzut, oferind un semnal sigur și gestionabil pentru releele de protecție. Cu toate acestea, adevărata măsură a a transformator de curent de protectie nu este performanța sa în condiții normale de funcționare, ci comportamentul în timpul celor mai severe și anormale evenimente - atunci când curenții de defect, care pot fi de zeci de ori mai mari decât în mod normal, trec prin sistem. În aceste circumstanțe extreme conceptul de tensiune la genunchi trece de la o specificație tehnică pe o fișă de date la factorul definitoriu între un eveniment de protecție reușit și o defecțiune catastrofală a sistemului.

Înțelegerea funcției de bază a unui transformator de curent de protecție

Înainte de a diseca tensiunea de la genunchi, este esențial să înțelegem pe deplin rolul esențial al dispozitivului în sine. A transformator de curent de protectie este un transformator de instrumente conceput pentru a izola și a furniza o copie redusă, proporțională a curentului primar, releelor de protecție și altor echipamente auxiliare. Spre deosebire de omologul său, măsurarea transformator de curent , care este optimizat pentru precizie într-o bandă îngustă de curenți normali de sarcină, the transformator de curent de protectie este conceput pentru un scop foarte diferit. Performanța sa este judecată după capacitatea sa de a reproduce fidel forma de undă a curentului primar chiar și atunci când sistemul este supus unor curenți tranzitori de defect de mare magnitudine. Acest semnal reprodus este singura sursă de informații pentru releu, care este creierul sistemului de protecție. Releul analizează acest semnal și face hotărârea decisivă să declanșeze sau să nu declanșeze un întrerupător, izolând astfel defecțiunea.

Mediul operațional pentru a transformator de curent de protectie este, prin urmare, excepțional de solicitant. Trebuie să rămână pasiv și precis pe parcursul deceniilor de funcționare normală, totuși să treacă într-o acțiune impecabilă, de înaltă fidelitate, în câteva milisecunde de la apariția unei defecțiuni. Orice distorsiune sau defecțiune a semnalului de curent secundar poate duce la o funcționare greșită a releului. Astfel de operațiuni greșite pot lua două forme periculoase: o deplasare falsă, în care o secțiune sănătoasă a rețelei este deconectată inutil, provocând timpi de nefuncționare și potențial stres al echipamentului; sau eșecul declanșării, în cazul în care o defecțiune reală nu este înlăturată, permițându-i să persistă și să provoace daune mari transformatoarelor, aparatelor de comutare și altor active costisitoare. Întegritatea întregului lanț de protecție depinde de transformator de curent de protectie capacitatea lui de a evita o stare cunoscută sub numele de saturație și tocmai aici tensiunea de la genunchi devine personajul central al narațiunii.

Definirea tensiunii genunchiului: un concept fundamental

În termeni cei mai simpli, cel tensiune la genunchi este o valoare specifică a tensiunii pe curba caracteristică de excitație a lui a transformator de curent de protectie care marchează tranziția de la regiunea liniară la regiunea saturată a funcționării magnetice a miezului. Pentru a înțelege acest lucru, trebuie să vizualizați funcționarea internă a transformatorului. Curentul primar creează un flux magnetic în miez, care apoi induce curentul secundar în înfășurare. O mică parte din curentul primar, totuși, este folosită pentru a „excita” miezul în sine - acesta este curentul de magnetizare.

Când tensiunea secundară este scăzută, miezul este departe de saturație. Curentul de magnetizare este neglijabil și aproape întregul curent primar este transformat în partea secundară. Aceasta este regiunea liniară sau proporțională de operare. Pe măsură ce tensiunea secundară crește - de obicei datorită unui curent de defect primar ridicat care curge prin sarcina conectată (releul și impedanța cablajului) - miezul necesită mai mult curent de magnetizare. The tensiune la genunchi este definit formal, conform standardelor internaționale precum IEC 61869, ca punctul de pe curba de excitație în care o creștere cu 10% a tensiunii secundare necesită o creștere cu 50% a curentului de excitație. Dincolo de acest punct, miezul începe să se sature.

Când miezul se saturează, permeabilitatea acestuia scade dramatic. Nu mai poate suporta o creștere semnificativă a fluxului magnetic. În consecință, o creștere masivă a curentului de magnetizare este necesară chiar și pentru o creștere mică a fluxului. Acest curent de magnetizare este efectiv o pierdere; nu mai este disponibil pentru a fi transformat în curent secundar. Rezultatul este o formă de undă de curent secundar grav distorsionată, care seamănă puțin cu curentul de defect primar. Releul, care primește acest semnal distorsionat, poate să nu poată identifica corect defecțiunea, ceea ce duce la o potențială defecțiune în funcționare. Prin urmare, cel tensiune la genunchi nu este doar un număr; este pragul de tensiune care definește limita superioară a reproducerii fidele a semnalului pentru un anumit transformator de curent de protectie .

Legătura directă între tensiunea punctului genunchi și saturație

Relația dintre tensiune la genunchi iar saturația este directă și cauzală. Saturația este fenomenul care a transformator de curent de protectie este special conceput pentru a evita sau a întârzia până după ce releul a funcționat. The tensiune la genunchi este parametrul cheie de proiectare care dictează când va avea loc această saturație într-un anumit set de condiții.

Tensiunea dezvoltată la bornele secundare ale a transformator de curent de protectie este un produs dintre curentul secundar și sarcina totală conectată (V _s = eu _s × Z _b ). În timpul unei defecțiuni, curentul secundar (I _s ) poate fi foarte mare. Dacă sarcina totală (Z _b ), care include impedanța releului și rezistența firelor de legătură, este semnificativă, tensiunea secundară rezultată (V _s ) poate fi substanțială. Dacă aceasta a calculat V _s în condiții maxime de defecțiune se apropie sau depășește pe cea a transformatorului tensiune la genunchi , miezul va intra în saturație.

Odată ajunsă la saturație, forma de undă a curentului secundar devine sever tăiată. În loc de o undă sinusoidală curată, releul vede o formă de undă cu vârfuri aplatizate și un conținut ridicat de armonici. Această distorsiune are mai multe efecte dăunătoare asupra performanței protecției. De exemplu, relee electromecanice ar putea experimenta o reducere a cuplului, împiedicându-i să-și închidă contactele. Relee digitale sau numerice , care se bazează adesea pe componenta fundamentală a curentului pentru algoritmii lor, pot primi măsurători inexacte. Algoritmi pentru protectie diferentiala , care compară curenții la două capete ale unei zone protejate, poate fi dezechilibrat dacă unul transformator de curent se saturează, iar celălalt nu, ducând la o călătorie falsă. The tensiune la genunchi , prin urmare, acționează ca un tampon. Un suficient de mare tensiune la genunchi asigură că tensiunea secundară necesară pentru a conduce curentul de defect prin sarcină rămâne bine în zona de funcționare liniară a miezului, prevenind saturația și garantând un semnal de curent precis pentru primele cicluri critice ale defecțiunii când releul trebuie să ia decizia.

Rolul critic în schemele specifice de protecție

Importanța tensiune la genunchi este mărită și mai mult atunci când este examinată în contextul unor scheme de protecție specifice, de înaltă performanță. Scheme diferite au sensibilități diferite la transformator de curent performanță, făcând specificarea corectă a tensiune la genunchi o decizie inginerească critică.

In protectie diferentiala , care este folosit pentru protejarea generatoarelor, transformatoarelor și barelor colectoare, principiul se bazează pe legea actuală a lui Kirchhoff: suma curenților care intră într-o zonă protejată ar trebui să fie zero. Dacă a transformator de curent de protectie pe de o parte se saturează în timpul unei defecțiuni externe (o defecțiune în afara zonei), va furniza un curent fals scăzut sau distorsionat. Releul va vedea un dezechilibru care imită o defecțiune internă și poate emite o comandă de declanșare incorectă. Pentru a preveni acest lucru, tensiune la genunchi din toate transformator de curents într-o schemă diferențială trebuie să fie suficient de mare și adaptate în mod corespunzător pentru a se asigura că toate se comportă similar în condiții de defecțiune, menținând astfel stabilitatea.

Pentru protectie la distanta , folosit pe liniile de transport, releul calculează distanța până la o defecțiune pe baza tensiunii și curentului măsurate. Transformator de curent saturația poate distorsiona intrarea curentului, ducând la un calcul eronat al impedanței. Acest lucru poate face ca releul să nu se apropie (să nu vadă o defecțiune în zona sa desemnată) sau să se depășească (vezi o defecțiune dincolo de zona sa), compromițând selectivitatea sistemului de protecție. Un mare tensiune la genunchi asigură că semnalul de curent rămâne pur pentru măsurarea precisă a impedanței.

În plus, în aplicațiile care implică protecție de înaltă impedanță a barelor colectoare , principiul de funcționare în sine se bazează pe tensiune la genunchi . Această schemă este concepută pentru a fi stabilă pentru defecțiuni externe, chiar dacă una sau mai multe transformator de curents saturați, folosind un rezistor de stabilizare și un rezistor de setare a tensiunii. Selectarea acestor componente se bazează direct pe tensiune la genunchi al transformator de curents utilizate în circuit. În acest caz, tensiune la genunchi nu este doar un factor limitator, ci o parte integrantă a proiectării și coordonării algoritmului de protecție.

Factoruli cheie care influențează selecția tensiunii genunchiului

Selectarea unui transformator de curent de protectie cu un adecvat tensiune la genunchi este un proces sistematic care necesită o analiză amănunțită a aplicației. Nu este vorba doar de a selecta cea mai mare valoare disponibilă, deoarece aceasta poate duce la echipamente inutil de mari și costisitoare. Selecția se bazează pe o analiză atentă a mai multor factori interdependenți, care pot fi rezumați în tabelul următor pentru claritate.

Calculul general pentru a asigura transformator de curent de protectie nu se saturează implică verificarea faptului că ei tensiune la genunchi este mai mare decât produsul dintre curentul de defect secundar maxim și sarcina totală. Acest lucru asigură că tensiunea necesară pentru a conduce curentul de defect prin sarcină rămâne sub pragul de saturație. Planificatorii de sistem și inginerii de protecție efectuează aceste studii cu meticulozitate pentru a specifica corect tensiune la genunchi , asigurând transformator de curent de protectie își va îndeplini datoria în cele mai nefavorabile condiții de defecțiune a sistemului.

Consecințele specificației incorecte ale tensiunii genunchiului

Repercusiunile neglijării tensiune la genunchi în timpul procesului de specificare și selecție poate fi grav, ducând direct la un compromis în securitatea și fiabilitatea sistemului. Un specificat incorect tensiune la genunchi este un defect latent care poate rămâne ascuns ani de zile, dezvăluindu-se doar în timpul unei defecțiuni majore atunci când sistemul de protecție este cel mai necesar.

Tensiunea punctului genunchiului subspecificată: Aceasta este cea mai periculoasă dintre cele două erori. Dacă tensiune la genunchi este prea scăzut pentru aplicație, transformator de curent de protectie se va satura prematur în timpul unei defecțiuni de mare magnitudine. După cum sa discutat, curentul secundar distorsionat rezultat poate cauza funcționarea greșită a releului. Eșecul la declanșare poate duce la distrugerea echipamentului de energia de defecțiune persistentă, ceea ce poate duce la incendii, explozii și pene de curent prelungite. O călătorie falsă poate destabiliza rețeaua, poate cauza întreruperi inutile pentru clienți și poate duce la o defecțiune în cascadă în rețea. Costul economic al unor astfel de evenimente, de la deteriorarea echipamentelor până la pierderea veniturilor din timpul nefuncționării, poate fi astronomic.

Tensiunea punctului genunchi supraspecificată: Deși mai puțin periculos decât unul subspecificat, unul excesiv de ridicat tensiune la genunchi are și dezavantaje. Un mai înalt tensiune la genunchi de obicei necesită o secțiune transversală a miezului mai mare sau utilizarea unor materiale de miez mai avansate. Acest lucru se traduce direct într-unul mai mare, mai greu și mai scump transformator de curent de protectie . De asemenea, poate duce la un curent de excitare mai mare la tensiuni normale de funcționare, care, deși în general nu reprezintă o problemă pentru aplicațiile de protecție, poate fi un factor de cost inutil. Prin urmare, scopul inginerului nu este de a maximiza tensiune la genunchi , dar pentru a o optimiza — pentru a selecta o valoare care oferă o marjă sigură peste cel mai rău scenariu, fără a suporta costuri inutile de materiale și de instalare.

Concluzie: cheia de temelie a fiabilității protecției

În concluzie, cel tensiune la genunchi este mult mai mult decât un parametru tehnic ezoteric găsit pe o fișă de date a transformatorului. Este caracteristica fundamentală de proiectare care definește limita de performanță a a transformator de curent de protectie . Este factorul critic care determină dacă dispozitivul va rămâne un senzor transparent, de înaltă fidelitate sau va deveni o sursă de distorsiuni periculoase a semnalului în momentele cele mai vulnerabile ale sistemului de alimentare. Dictând debutul saturației nucleului, tensiune la genunchi influențează direct fiabilitatea, securitatea și viteza întregului sistem de protecție.

O înțelegere profundă a acestui concept este indispensabilă pentru toate părțile interesate implicate în industria energetică, de la proiectanții de sisteme și inginerii de protecție până la cumpărători și angrosisti care specifică și furnizează aceste componente vitale. Specificând a transformator de curent de protectie cu un adecvat tensiune la genunchi , calculat pe baza unei analize amănunțite a curentului de defect maxim, a sarcinii conectate și a parametrilor sistemului, este un pas nenegociabil în asigurarea securității personalului, a protecției activelor valoroase și a stabilității generale a rețelei electrice. Este cheia de boltă pe care se construiește o protecție electrică fiabilă.