ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Измерительные трансформаторы переменного тока. Для удобст-

ва и безопасности измерения тока установок высокого напряжения ток вторичной цепи с помощью трансформатора тока изменяется до стандартного значения 5А или 1А.

Измерительные приборы и реле выполняются на эти токи и включаются в цепь вторичной обмотки трансформатора тока (контакты И1, И2), один вывод которой обязательно заземляется (И1).

Рис. 5

В случае повреждения трансформатора приборы и реле остаются под потенциалом земли. Отличительной особенностью режима работы трансформатора тока является то, что первичный ток не зависит от режима работы его вторичной цепи и остается неизменным при замыкании накоротко или размыкании вторичной цепи. Это связано с тем, что ток в первичной обмотке определяется сопротивлением нагрузки Z2 которое на несколько порядков выше, чем входное сопротивление трансформатора со стороны первичной обмотки при любом значении сопротивления Z2. Поэтому предохранитель во вторичной цепи не ставится, так как разрыв этой цепи является аварийным режимом для трансформатора тока. Контакты первичной цепи ИТТ (Л1, Л2). Основными параметрами трансформаторов тока являются: номинальное напряжение — линейное напряжение системы, в которой трансформатор тока должен работать. Это напряжение определяет сопротивление изоляции между первичной обмоткой, находящей-

7

ся под высоким потенциалом, и вторичной, один конец которой заземлен;

номинальный первичный и вторичный токи — токи, на которые рас-

читан трансформатор. Трансформаторы тока обычно имеют запaс по нагреву и позволяют длительно пропускать токи, которые примерно на 20 % выше номинального значения; номинальный коэффициент трансформации — отношение номинального первичного тока I1ном к номинальному вторичному току I2ном

На практике действительный коэффициент трансформации не равен номинальному вследствие потерь в трансформаторе. Различают погрешности: токовую, угловую и полную; токовая погрешность, %, определяемая выражением

I2 — вторичный ток; I1 — первичный ток.

В реальном трансформаторе вторичный ток сдвинут по фазе относительно первичного на угол, отличный от 180°. Для отсчета этой погрешности вектор вторичного тока поворачивают на 180°. Угол между этим вектором и вектором первичного тока называют угловой погрешностью. Если перевернутый вектор вторичного тока опережает первичный ток, то погрешность положительная, если отстает, то погрешность отрицательная. Погрешность по углу измеряется в минутах.

Класс точности говорит о допустимой погрешности по току в процентах при номинальных условиях Z2 = Z2H.

Наряду с токовой и угловой погрешностью вводится понятие полной погрешности, %, характеризующей относительный намагничивающий ток

8

где I1— действующее значение первичного тока; i2 — мгновенном значение вторичного тока; i1, — мгновенное значение первичного тока; Т — период частоты переменного тока (0,02 с);

номинальная нагрузка трансформатора тока — сопротивление на-

грузки Ом, при котором трансформатор работает в своем классе точности при cos ϕ2н = 0,8 Иногда применяется понятие номинальной мощности

Р2ном=I2номZ2ном

Поскольку ток I2ном стандартизован, то номинальное сопротивление нагрузки однозначно определяет и номинальную мощность трансформатора;

номинальная предельная кратность — кратность первичного тока по отношению к его номинальному значению, при которой погрешность по току достигает 10%. Нагрузка и ее коэффициент мощности должны быть номинальными;

максимальная кратность вторичного тока — отношение наиболь-

шего значения вторичного тока к его номинальному при номинальной вторичной нагрузке. Максимальная кратность вторичного тока определяется насыщением магнитопровода, когда дальнейшее возрастание первичного тока не ведет к возрастанию потока.

Трансформаторы тока обтекаются током короткого замыкания, и его обмотки подвергаются воздействию больших токов;

динамическая стойкость {кратность) — отношение допустимого ударного тока к амплитуде номинального первичного тока;

термическая стойкость {кратность) — отношение допустимого в течение 1с тока короткого замыкания к номинальному значению первичного тока.

9

Так как ток первичной обмотки задается сетью, то наибольшим термическим и динамическим воздействиям подвергается первичная обмотка. Вторичный ток часто ограничивается насыщением магнитопровода, и поэтому вторичная обмотка работает в облегченных условиях.

Режим работы трансформатора тока является, по существу, режимом короткого замыкания.

Трансформатор тока не должен давать больших погрешностей при номинальном токе и коротком замыкании.

Для того чтобы трансформатор удовлетворял определенному классу точности, погрешность должна находиться в допустимых пределах. Класс точности трансформатора определяется его погрешностью в процентах при первичном токе (100... 120)I1ном.

Взависимости от числа витков первичной обмотки различают одновитковые и многовитковые трансформаторы тока.

Водновитковом трансформаторе первичная обмотка может быть выполнена в виде стержня или пакета шин. Примером такого исполнения

Рис.6. Одновитковый трансформатор тока ТПОЛ-10, Uном = 10 кВ: 1- магнитопроводы; 2 — вторичная обмотка; 3 — крепежное кольцо; 4 — стержень

является трансформатор ТПОЛ-10 с литой изоляцией, представленный на рис. 6

10

Этот трансформатор используется как проходной изолятор при переходе из одного помещения в другое.

Применение литой эпоксидной изоляции позволяет сильно упростить конструкцию и технологию производства. Первичная обмотка

— стержень 4, магнитопроводы 1 и крепежное кольцо 3 располагаются в специальной форме, после чего туда заливается жидкая масса из эпоксидной смолы, пылевидного кварцевого песка отвердителя. После затвердения и полимеризации изоляционный материал приобретает высокие электрические и механические свойства. Магнитопровод 1 трансформатора, выполненный в виде тора, изготовляется из ленты, свернутой по спирали. На тор навивается вторичная обмотка 2. Применение тороидального сердечника позволяет полностью использовать высокие свойства текстурованного материала, например стали марки Э310. Если вторичная обмотка равномерно расположена на магнитопроводе, индуктивное сопротивление вторичной обмотки равно нулю, что позволяет повысить точность трансформатора тока. Конструкция позволяет легко установить несколько магнитопроводов, каждый из которых имеет различные параметры. Главным достоинством одновиткового исполнения является его высокая электродинамическая стойкость, так как на первичную обмотку действуют силы только от подводящих шин и соседних фаз.

При выборе трансформатора тока необходимо учитывать, что его реальной нагрузкой являются не только обмотки приборов и но и сопротивления соединительных проводов.

Измерительные трансформаторы напряжения. Они служат для преобразования высокого напряжения в низкое напряжение стандартной величины, удобное для измерения. Обычно за номинальное вторичное напряжение принято 100 В или 100 3 В. Это позволяет для измерения любого напряжения применять одни и те же стан-

11

дартные измерительные приборы. Реле защиты, реагирующие на напряжение, также изготовляются на стандартное напряжение независимо от напряжения установки.

Первичная обмотка трансформатора изолируется от вторичной соответственно классу напряжения установки. Для безопасности обслуживания один вывод вторичной обмотки обязательно заземляется. Таким образом, трансформатор напряжения изолирует измерительные приборы и реле от цепи высокого напряжения и делает безопасным их обслуживание.

Схема включения однофазного трансформатора напряжения дана на рис. 7. Первичная обмотка 1 присоединена к цепи высокого напряжения через предохранители 3. Вторичная обмотка 2 питает нагрузку в виде обмоток измерительных приборов или реле защиты через предохранители 4. В трансформаторах напряжения нормальной конструкции заземляются и вторичная обмотка 2, и сердечник 5.

Предохранители 4 служат для защиты трансформатора напряжения от коротких замыканий в цепи вторичной нагрузки. Предохранители 3, установленные на высоковольтной стороне, служат для защиты сети от короткого замыкания в трансформаторе. Для облегчения отключения желательна установка токоограничивающих предохранителей типа ПКТ или стреляющих, с ограничивающим сопротивлением.

Вследствие высокого сопротивления самого трансформатора при возникновении короткого замыкания во вторичной цепи ток в первичной цепи мал (порядка нескольких ампер) и его величина недостаточна для срабатывания предохранителей 3.

12

Рис. 7. Схема включения однофазного трансформатора напряжения: 1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка; 3, 4 — предохранители; 5 — сердечник ■

Основными параметрами трансформатора напряжения являются:

номинальное напряжение обмоток -напряжение на первичной и вто-

ричной обмотках, указанное на щитке трансформатора. Номинальное напряжение трансформатора равно номинальному напряжению первичной обмотки;

номинальный коэффициент трансформации — отношение номиналь-

ного первичного напряжения к номинальному вторичному напряжению:

погрешность по напряжению, %, которая определяется уравнением:

где U1 — напряжение, поданное на первичную обмотку; U2 — напряжение, измеренное на зажимах вторичной обмотки.

Если U1/ U2 = kном то погрешность всегда будет равна нулю.

За угловую погрешность принимается угол в минутах между первичным напряжением и повернутым на 180° вторичным. Если вторичное напряжение U2 опережает первичное напряжение U1 погрешность по углу считается положительной. Допустимая погрешность трансфор-

13

матора по напряжению в процентах при номинальных условиях численно равна классу точности.

Погрешности трансформатора не должны превышать табличные данные при колебании первичного напряжения в пределах 90...

110% и при колебании мощности на вторичных зажимах в пределах 25... 100 % от номинальных значений;

номинальная вторичная нагрузка — ток во вторичной обмотке I2 оп-

а вторичная мощность Р2 соответственно:

ределяется сопротивлением нагрузки:

При уменьшении сопротивления Z2 мощность, отдаваемая трансформатором напряжения, увеличивается и соответственно увеличивается погрешность;

номинальная мощность трансформатора — наибольшая мощность

(при номинальном коэффициенте мощности, равном 0,8), которая может быть снята с трансформатора при условии, что его погрешность не выйдет за пределы, определенные классом точности.

Для того чтобы уменьшить погрешность по напряжению, снижают активное и реактивное сопротивления обмоток. Для получения малого активного сопротивления берутся малые плотности токов в обмотках (около 0,3 А/мм2), благодаря чему эти трансформаторы слабо нагружены в тепловом отношении. Для снижения индуктивного сопротивления обмоток уменьшают расстояние между первичной и вторичной обмотками.

Компенсацию погрешности по напряжению легко получить путем уменьшения числа витков первичной обмотки. Если уменьшить число витков первичной обмотки, то коэффициент трансформации становится меньше номинального и вторичное напряжение возрас-

14

тает. При этом вводится положительная погрешность, которая компенсирует отрицательную. Обычно вводится такая коррекция, чтобы при холостом ходе трансформатор имел максимально допустимую для данного класса точности положительную погрешность.

На погрешность трансформатора влияет коэффициент мощности нагрузки cosϕ2 и с его уменьшением погрешность увеличивается. Причем характер нагрузки оказывает большее влияние на угловую погрешность, чем на погрешность по напряжению.

На угловую погрешность витковая поправка не влияет. Угловую погрешность в трехфазных трансформаторах напряжения можно компенсировать. В этом случае необходимая компенсация достигается путем применения специальных компенсирующих обмоток. При активной нагрузке вносится положительная поправка. При индуктивной нагрузке применяется другая схема соединений, которая дает отрицательную поправку.

При напряжении до 35 кВ конструкция трансформаторов напряжения сходна с конструкцией силовых трансформаторов. Индукция в сердечниках значительно меньше, чем у силовых трансформаторов. Это снижает погрешность, позволяет в некоторых случаях проводить испытания индуцированным напряжением.

Для испытания трансформатора на выводы вторичной обмотки подается удвоенное напряжение частотой 50 Гц. На первичной обмотке появляется также удвоенное напряжение. Индукция не должна превышать индукцию насыщения.

При эксплуатации возможны случаи, когда первичная обмотка, рассчитанная на работу при фазном напряжении, попадает под линейное напряжение вместо фазного. При этом сердечник не должен насыщаться.

На напряжение до 35 кВ выпускаются однофазные трансформаторы, у которых либо оба вывода обмотки высокого напряжения изолиро-

15

ваны от корпуса (рис. 8, а), либо изолирован только один, а второй вывод заземлен.

Применение в качестве изоляции пластмасс и отказ от масляной изоляции позволяет сократить массу и габаритные размеры трансформаторов, упрощается их эксплуатация, делается ненужным уход за маслом. Трансформаторы с литой изоляцией пожаробезопасны, удобны для эксплуатации в различных передвижных установках.

Рис. 8. Внешний вид однофазных трансформаторов напряжения с масляной изоляцией (а) и литой изоляцией (б)

На рис. 8,б представлен трансформатор напряжения с литой изоляцией типа НОК-6 на те же параметры, что и масляный. Отечественная промышленность выпускает трансформаторы с литой изоляцией на напряжение до 35 кВ.

Габаритные размеры трансформаторов в значительной степени определяются изоляцией аппарата. В связи с этим там, где это возможно, трансформатор выполняется для измерения напряжения между фазой и землей. В этом случае отпадает необходимость в изоляции второго вывода первичной обмотки, который заземляется, линейное напряжение получается путем соединения в звезду вторичных обмоток таких трансформаторов. При этом, однако, погрешность измерения возрастает, так как суммируются погрешности двух трансформаторов. Такая конструкция позволяет уменьшить габаритные размеры и удешевить трансформатор напряжения.

16