2. Измерительные преобразователи

Включение измерительных приборов и реле в электроустановках высокого напряжения переменного тока производится в большинстве случаев через измерительные преобразователи – трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН).

Измерительные трансформаторы предназначены для изолирования измерительных приборов и реле от первичных цепей высокого напряжения и для уменьшения напряжения (тысячи вольт) и тока (сотни и тысячи ампер) до величин удобных для измерения.

В России трансформаторы напряжения обычно изготавливаются на номинальное вторичное напряжение 100 В, а трансформаторы тока – на номинальный вторичный ток 5 и 1 А.

Конструктивно трансформаторы напряжения отличаются от трансформаторов тока.

2.1. Трансформаторы тока

Трансформатором тока называется трансформатор, в котором при правильных условиях применения вторичный ток практически пропорционален первичному току и при правильном включении сдвинут относительно него по фазе на угол, близкий к нулю.

Классификация трансформаторов тока

Все трансформаторы тока можно классифицировать по следующим основным признакам:

По роду установки:

• для работы на открытом воздухе;

• для работы в закрытых помещениях;

• для встраивания во внутренние полости электрооборудования;

• для специальных установок.

По способу установки:

• проходные трансформаторы тока (используются в качестве ввода и устанавливаются в проёмах стен, потолков или металлических конструкциях);

• опорные (устанавливаются на опорной плоскости);

• встраиваемые (для установки во внутренние полости электрооборудования);

По числу коэффициентов трансформации:

• с одним коэффициентом трансформации;

• с несколькими коэффициентами трансформации, получаемыми изменением числа витков первичной или вторичной обмотки, или обеих обмоток;

По выполнению первичной обмотки:

• одновитковые;

• многовитковые.

По роду изоляции между первичной и вторичной обмотками ТТ:

• с твёрдой изоляцией (фарфор, литая изоляция, прессованная изоляция );

• с вязкой изоляцией (заливочные компаунды);

• с комбинированной изоляцией (бумажно – масляная, конденсаторного типа);

• с газообразной изоляцией (воздух, элегаз).

По принципу преобразования тока:

• электромагнитные трансформаторы тока;

• оптико – электронные трансформаторы тока.

Устройство и принцип действия трансформатора тока

Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь измеряемого тока и, следовательно, через неё проходит весь первичный ток нагрузки или к.з.

Устройство и схема включения трансформатора тока показаны на рисунке 16.

Трансформатор тока имеет стальной сердечник С и две обмотки: первичную W₁ и вторичную W₂. Трансформаторы тока часто имеют два и более сердечника, при этом первичная обмотка является общей для всех сердечников. Первичная обмотка имеет меньшее количество витков и включается последовательно в цепь измеряемого тока. К вторичной обмотке, имеющей большее количество витков, подключаются последовательно соединенные реле и приборы.

Рисунок 16 – Устройство и схемы включения ТТ

а) с одним сердечником; б) с двумя сердечниками.

Первичный ток I₁, проходящий по первичной обмотке трансформатора тока создаёт в сердечнике магнитный лоток Ф₁, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней вторичный ток I₂, который также создаёт магнитный поток Ф₂, но направленный противоположно магнитному потоку Ф₁. Результирующий магнитный поток в сердечнике ТТ равен:

Ф₀ = Ф₁-Ф₂;

Величина магнитного потока зависит от величины создаваемого его тока и от количества витков обмотки, по которой этот ток протекает. Произведение тока на число витков F=IW называется намагничивающей силой и выражается в ампер-витках. Поэтому выражение для Ф₀ можно заменить выражением:

F₀ = F₁ - F₂ или I₀W₁ = I₁W₁ - I₂W₂, где

I₀ – ток намагничивания, являющийся частью первичного тока (I_нам);

Разделив все члены последнего выражения на W₂, получим:

или , где

- витковый коэффициент трансформации трансформатора тока.

Соотношение первичного и вторичного токов имеет вид:

;

При I_нам=0 трансформатор тока работает «идеально», его вторичный ток пропорционален первичному и совпадает с ним по фазе:

;

Однако в действительности намагничивающий ток не может быть равным нулю, поэтому действительный вторичный ток ТТ отличается от «идеального» на величину, которая и вносит искажение в величину и фазу вторичного тока. Таким образом, вследствие наличия тока намагничивания во вторичную обмотку трансформируется не весь первичный ток, а только его часть, что и вызывает погрешность в работе трансформатора тока.

Погрешности возникают вследствие того, что действительный процесс трансформации в ТТ происходит с затратой мощности, которая расходуется на создание в сердечнике магнитного потока, перемагничивания стали сердечника (гистерезис), потери от вихревых токов, а также на нагрев обмоток.

Искажающее влияние тока намагничивания показано на векторной диаграмме (см. рисунок 18), построенной на основе схемы замещения на рисунке 17.

Рисунок 17 – Упрощённая схема замещения трансформатора тока.

На схеме замещения Z₁ и Z₂ – сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора тока, Z_нам – сопротивление ветви намагничивания. Из схемы замещения видно, что первичный ток I₁, входящий в начало первичной обмотки Н, проходит по сопротивлению первичной обмотки Z₁ и в точке а разветвляется по двум параллельным ветвям. Основная часть тока, являющаяся вторичным током I₂ замыкается на сопротивление вторичной обмотки Z₂ и сопротивление нагрузки Z_н. Другая часть первичного тока I_нам замыкается через сопротивление ветви намагничивания и следовательно в реле и приборы подключённые ко вторичной обмотке ТТ, не попадает. Ветвь между точками а и б схемы замещения ТТ называется ветвью намагничивания и весь ток I_нам, проходящий по этой ветви, - током намагничивания.

Рисунок 18 – Упрощённая векторная диаграмма трансформатора тока.

Из векторной диаграммы трансформатора тока видно, что вектор вторичного тока I₂ меньше вектора трансформированного первичного тока I₁/n_T, на величину I и сдвинут относительно его на угол δ.

Различают следующие виды погрешностей трансформаторов тока:

• Токовая погрешность (погрешность в коэффициенте трансформации), определяемая как арифметическая разность между первичным током, поделённым на коэффициент трансформации I₁/n_T, и измеренным (действительным) вторичным током I₂ (I по диаграмме на рисунке 18):

;

Угловая погрешность, определяемая как угол  сдвига между током I₁/n_T и измеренным вторичным током I₂ , и считается положительной, когда I₂ опережает I₁/n_T.

Причиной возникновения погрешностей у трансформаторов тока является существование тока намагничивания. Чем меньше ток намагничивания, тем меньше погрешности ТТ.

При номинальном значении первичного тока ток намагничивания ТТ обычно не превышает 0,5 – 3% номинального тока.

Величина тока намагничивания зависит от э.д.с. Е₂ и сопротивления ветви намагничивания Z_нам, т.е.:

Э.д.с. Е₂ можно определить как падение напряжения от тока I₂ в сопротивлении вторичной обмотки Z₂ и сопротивлении нагрузки Z_Н, т.е.

Е₂ = I₂ (Z₂+ Z_Н);

Так как величина вторичного тока I₂ зависит от величины первичного тока I₁, то э.д.с. Е₂, а следовательно, и ток намагничивания I_нам возрастают при увеличении тока I₁ или при увеличении сопротивления нагрузки Z_Н, подключённой ко вторичной обмотке.

Сопротивление ветви намагничивания Z_нам зависит от конструкции ТТ и качества стали сердечника. Это сопротивление не является постоянной величиной и зависит от характеристики намагничивания стали, представляющей собой зависимость тока намагничивания I_нам от величины магнитного потока Ф_Т в сердечнике трансформатора тока (см. рисунок 19).

Рисунок 19 – Характеристика намагничивания трансформаторов тока.

В начальной части характеристики ток намагничивания почти пропорционален магнитному потоку в сердечнике ТТ. При некотором значении магнитного потока Ф’_Т происходит насыщение магнитопровода трансформатора тока. При этом Z_нам резко уменьшается и возрастает ток I_нам. Возрастание тока намагничивания происходит значительно быстрее, чем поток в сердечнике трансформатора тока, что вызывает резкое возрастание погрешностей ТТ.

Сопротивление Z_нам обратно пропорционально магнитному сопротивлению R_м сердечника трансформатора тока, определяемому конструктивными параметрами трансформатора тока:

, где

l – путь, по которому замыкается поток Ф_Т ;

S – сечение стали магнитопровода;

μ – магнитная проницаемость стали.

Таким образом, для увеличения Z_нам нужно увеличивать сечение стали магнитопровода, сокращать путь l и применять сталь с вы­сокой магнитной проницаемостью, добиваясь увеличения пря­молинейной части характеристики намагничивания трансфор­матора тока и ее крутизны.

Для уменьшения погрешностей трансформатор тока должен работать в прямолинейной части своей характеристики намагничивания (где ток намагничивания пропорционален потоку в сердечнике трансформатора). Это условие обеспечивается:

– конструктивными параметрами сердечника;

– правильным выбором нагрузки вторичной обмотки;

– снижением величины вторичного тока, что достигается выбором соответствующего коэффициента трансформации.

Погрешности трансформаторов тока резко возрастают в первый момент к.з., когда в первичном токе имеется апериодическая составляющая.

Классификация трансформаторов тока по допустимым погрешностям приведена в таблице 2.

Таблица 2 – Допустимые погрешности трансформаторов тока.

Класс точности	Допустимая погрешность по току,%	Допустимая погрешность по углу, мин.	Область применения
0,2	+ 0,2	+ 10'	Точные лабораторные измерения
0,5	+ 0,5	+ 40'	Учёт электроэнергии
1,0	+ 1,0	+ 80'	Все типы защит и щитовые приборы
Р или (Д)	не нормируется		Специальные для дифференциальной защиты

Допустимые погрешности, приведенные в таблице 2, соответствуют нагрузкам вторичной обмотки ТТ, не превышающим номинальной, и при вторичном токе не превышающем 120% номинального. При увеличении нагрузки или тока выше указанных значений погрешности ТТ возрастают и он переходит в другой (следующий) класс точности.

Требования, предъявляемые к трансформаторам тока используемых для релейной защиты отличаются от требований, предъявляемых к ТТ используемых для измерений. Если ТТ, питающие измерительные приборы, должны работать точно в пределах своего класса при токах нагрузки близких к их номинальному току, то ТТ, питающие релейную защиту, должны работать с достаточной точностью при прохождении больших токов (токов к.з., значительно превышающих номинальный ток ТТ).

Действующие «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ) требуют, чтобы ТТ, предназначенные для питания релейной защиты, имели погрешность, как правило, не более 10%. Большая погрешность допускается в отдельных случаях, когда это не приводит к неправильным действиям релейной защиты.

Выбор трансформаторов тока производится по кривым 10%-й погрешности, определяющим зависимость максимальной кратности I_1макс/ I_1ном первичного тока от сопротивления нагрузки вторичной обмотки трансформатора тока, при которых погрешность ТТ равна 10%. Вид кривой 10%-й погрешности изображен на рисунке 20.

Рисунок 20 – Кривая 10%-й погрешности.

При погрешности 10% трансформатор тока достигает насыщения.

Для правильного соединения ТТ между собой и правильного подключения к ним реле и приборов выводы обмоток трансформаторов тока обозначаются (маркируются) следующим образом: начало первичной обмотки – Л₁, начало вторичной обмотки – И₁; конец первичной обмотки – Л₂, конец вторичной обмотки – И₂

Как правило, при монтаже ТТ их располагают так, чтобы начала первичных обмоток Л₁ были обращены в сторону шин, а концы Л₂ – в сторону защищаемого оборудования.

При маркировке обмоток ТТ за начало вторичной обмотки И₁, принимается тот её вывод, из которого ток выходит, если в этот момент в первичной обмотке ток проходит от начала Л₁ к концу Л₂ (рисунок 21).

Рисунок 21 – Маркировка выводов обмоток трансформаторов тока.

При маркировке и включении реле по этому правилу ток в реле при подключении его по этому правилу сохраняет то же направление, что и при непосредственном включении в первичную сеть.