5.12.2. Измерительные трансформаторы

Эксплуатация силовых электроустановок требует измерения электрических величин в широком диапазоне их значений. Создание приборов для измерения очень высоких напряжений или затруднено, или просто невозможно из-за ограниченности электрической прочности материалов. С другой стороны, это просто опасно для обслуживающего персонала.

Измерение токов тоже вызывает определенные затруднения. Сходные проблемы возникают и при создании устройств автоматической защиты электроустановок. Необходимость расширения измеряемого диапазона достаточно просто решается применением измерительных трансформаторов. Необходимость использования измерительных трансформаторов диктуется еще стремлением унифицировать измерительные устройства, т. е. стремлением использовать одни и те же приборы для измерения электрических величин различного порядка.

Для подключения вольтметров и цепей напряжения некоторых аппаратов используется трансформатор напряжения. Для включения амперметров или токовых цепей различных аппаратов и реле используются трансформаторы тока.

Трансформатор напряжения напоминает обычный трансформатор достаточно малой мощности. Его первичная обмотка имеет большое количество витков и подключается к точкам, напряжение между которыми необходимо измерить. Вторичная обмотка замкнута на вольтметр или на зажимы цепей напряжения других аппаратов защиты или измерительных приборов. Все измерительные цепи аппаратов включаются в этом случае параллельно (рис. 5.36).

Рис. 5.36

Сопротивления вольтметра и цепей напряжения других измерительных аппаратов относительно большие, поэтому можно сделать заключение о том, что трансформаторы напряжения работают в условиях, близких к режиму холостого хода силового трансформатора. Падение напряжения на внутренних сопротивлениях транс­форматора относительно мало, поэтому допускают, что напряжения трансформатора равны соответствующим ЭДС

, и .

Вторичное напряжение равно первичному, деленному на постоянную, равную коэффициенту трансформации. Необходимо отметить, что вторичное напряжение находится в противофазе по отношению к первичному напряжению. Точная передача начальной фазы напряжения очень важна для измерительных приборов и приборов защиты, в которых основную роль играет фазовый сдвиг между напряжением и током. К таким приборам следует отнести фазометры, ваттметры и счетчики электрической энергии. Схема включения приборов с измерительным трансформатором напряжения представлена на рис. 5.36. Если вольтметр работает с одним измерительным трансформатором, то его шкалу можно проградуировать в величинах первичного напряжения. Номинальное вторичное напряжение всех измерительных трансформаторов имеет стандартное выходное напряжение величиной 100 вольт.

Наличие падения напряжения на внутренних сопротивлениях измерительного трансформатора напряжения вызывает ошибку коэффициента трансформации и фазовую ошибку. Ошибка коэффициента преобразования выражается в процентах. Это есть ошибка измерения первичного напряжения, отнесенная к реальной величине этого напряжения

% .

Фазовая ошибка определяется углом между первичным напряжением и вектором вторичного напряжения, повернутого по фазе на 180 .

Рис. 5.37

Измерительные трансформаторы тока включаются последовательно с нагрузкой (первичная обмотка) (рис. 5.37). Вторичная обмотка подключена непосредственно к амперметру и к токовым цепям других измерительных приборов. Общее сопротивление токовых цепей вторичной обмотки относительно мало, и поэтому измерительные транс­форматоры токов работают в режиме, близком к режиму короткого замыкания силовых трансформаторов. Напряжение вторичной обмотки достаточно мало, и его значение достигает 1…6 В. Это говорит о том, что намагничивающая сила пренебрежительно мала и можно принять, что , где  коэффициент трансформации тока. Номинальный вторичный ток всех токовых трансформаторов имеет одно стандартное значение 5 ампер.

У измерительных токовых трансформаторов различают ошибку по току и фазовую ошибку. Эти ошибки определяются таким же образом, как и ошибки измерительного трансформатора напряжения.

Первичный ток трансформаторов значительно больше вторичного тока, и поэтому количество витков первичной обмотки значительно меньше количества витков вторичной обмотки .

Увеличивая сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока, мы практически не оказываем влияния на ток , но уменьшается размагничивающее действие второго тока и в значительной степени возрастает намагничивающая сила . Выходное напряжение трансформатора резко увеличивается до такой величины, что может быть опасным для обслуживающего персонала, поэтому вторичную обмотку и стальной кожух трансформатора заземляют. При сильных токах первичная обмотка представляется одним проводником, проходящим через окно сердечника трансформатора. Падение напряжения на первичной обмотке очень мало и составляет сотые доли вольта, тогда как вторичное напряжение достигает нескольких вольт. Таким образом, трансформаторы тока не допускают режима холостого хода. Магнитные системы магнитопровода измерительных трансформаторов работают на линейном участке кривой намагничивания.