1.Измерительные трансформаторы тока
1.1Назначение и режим работы
Измерительный трансформатор тока представляет собой аппарат, предназначенный для подключения токовых измерительных приборов, устройств релейной защиты и автоматики .
(приложение 1)
В электроустановках трансформаторы тока выполняют три функции: 1.преобразование переменного тока к стандартным значениям 5 А или 1 А;
2.изолирование вторичных токовых цепей от высокого напряжения первичной цепи;
3.защиту вторичных устройств и персонала от высокого напряжения.
Вторичные токовые цепи трансформаторов тока заземляются в одной точке. Это предотвращает появление высокого напряжения во вторичных цепях при повреждении изоляции.
Трансформатор тока состоит из первичной обмотки 1 и вторичной обмотки 2, которые расположены на магнитопроводе 3 (рис.1.1, а). Обозначения трансформаторов тока приведены на рис.1.1, б и в табл. 1.1 [3].
Таблица 1.1 Обозначение выводов обмоток трансформатора тока
Первичная обмотка трансформатора тока последовательно включается в силовую цепь. К вторичной обмотке последовательно подключаются амперметры, токовые обмотки варметров, ваттметров, счётчиков активной и реактивной энергии, токовые цепи релейной защиты и автоматики.
Трансформатор тока является источником тока, следовательно, вторичная обмотка выполняется с большим внутренним сопротивлением. Сопротивление приборов, подключённых к вторичной обмотке трансформатора тока должно быть небольшое. Если сопротивление подсоединённых приборов больше допустимой величины, то оно значительно повлияет на величину вторичного тока. Трансформатор тока не будет работать в заданном классе точности.
Остановимся подробно на режиме работы трансформатора тока. Протекающий по первичной обмотке ток I1 создаёт в сердечнике магнитный поток Ф1. Наводимая во вторичной обмотке электродвижущая сила (ЭДС) взаимоиндукции, вызывает ток I2, который создаёт свой магнитный поток Ф2, направленный встречно потоку Ф1. Величина сопротивления вторичной нагрузки небольшая, поэтому потери энергии во вторичной нагрузке незначительны. Следовательно, поток Ф2 немного меньше потока Ф1, а результирующий магнитный поток
Ф0 = Ф1 - Ф2 (1.1)
составляет всего несколько процентов от магнитного потока Ф1. Для такого магнитного потока не требуется магнитопровод большого сечения. Кроме того, в этом случае трансформатор тока обладает незначительным индуктивным сопротивлением, то есть не влияет на величину тока, протекающего в силовой цепи.
При размыкании вторичной обмотки исчезает ток I2, а, следовательно, и поток Ф2.Результирующий поток Ф0 в соответствии с выражением (1.1) возрастает до первичного потока Ф1. Из-за небольшого сечения магнитопровода, выбранного по потоку Ф0, происходит насыщение магнитопровода. Форма магнитного потока из синусоидальной Ф0 (рис. 1.2) становится трапециидальной Ф0ХХ.
Величина напряжения на выводах вторичной обмотки пропорциональна скорости изменения магнитного потока ФО (ФОХХ)
. (1.2)
Отсюда при размыкании вторичной обмотки форма напряжения на её выводах становится пикообразной. Значение напряжения на разомкнутой вторичной обмотке при большом рабочем токе может достигать нескольких киловольт.
Запрещается размыкать вторичную обмотку трансформатора тока под нагрузкой. Высокое напряжение опасно для персонала и, кроме того, может привести к повреждению изоляции трансформатора тока. Из-за насыщения сердечника большим магнитным потоком происходит его перегрев. Повреждение трансформатора тока может вызвать замыкание в первичной цепи. При необходимости произвести переключения в схеме под током предварительно закорачивают вторичную обмотку трансформатора тока.
1.2 Погрешности трансформатора тока
Коэффициент трансформации трансформатора тока определяется следующим образом. Под воздействием протекающих по обмоткам токов, в первичной обмотке действует магнитодвижущая сила
1 = I1•W1, (1.3)
а во вторичной обмотке -
2 = I2•W2. (1.4)
В случае идеального трансформатора тока при отсутствии потерь энергии в трансформаторе и в нагрузке магнитодвижущие силы F1 и F2 равны между собой. В этом случае
1•W1 = I2•W2, (1.5)
Отсюда коэффициент трансформации равен:
. (1.6)
На векторной диаграмме (рис.1.3) показаны токи I1 и I0, а также I2ПР., повёрнутый на 1800 и приведённый по величине с учётом коэффициента трансформации к первичному току. Ток намагничивания I0 определяет потери энергии в сердечнике трансформатора тока, то есть его погрешность.
Различают два вида погрешности: а) токовую; б) угловую.
Токовая погрешность - это выраженное в процентах отношение разности между приведённым вторичным током и первичным током к первичному току
. (1.7)
Угловая погрешность - это угол ? между первичным током I1 и повёрнутым на 1800 вектором I2. Угловая погрешность считается положительной, если вектор вторичного тока опережает вектор первичного тока.
На величину токовой и угловой погрешности трансформатора тока влияют:
а) материал и размеры сердечника;
б) число первичных ампер-витков;
в) сопротивление вторичной обмотки
г) величина первичного тока.
Качество материала магнитопровода определяется потерями на вихревые токи и гистерезис на единицу объема материала. Качество материала магнитопровода характеризует кривая намагничивания (рис.1.4.а). В точке М магнитная проницаемость µ имеет наибольшее значение. Следовательно, при напряжённости магнитного поля Н, соответствующего точке М, в магнитопроводе будут наименьшие потери и наибольшая точность трансформатора тока. Величина напряжённости магнитного поля зависит от первичного тока I1.
Магнитопровод изготавливается из электротехнической холоднокатанной стали, пермаллоя или аморфного железа.
На рис 1.4.б показаны зависимости токовой f и угловой погрешности ? от величины первичного тока I1 и вторичной нагрузки Z2.
При возрастании величины вторичной нагрузки (Z2.2 > Z2.1) происходит увеличение токовой и угловой погрешностей.
Способы уменьшения погрешностей:
а) увеличение первичных ампер-витков;
б) увеличение сечения сердечника;
в) уменьшение средней длины магнитопровода;
г) улучшение магнитных свойств сердечника;
д) уменьшение сопротивления вторичной нагрузки;
е) подгонка витков.
Полное уравнение магнитодвижущих сил трансформатора тока имеет вид
1•W1 = I2•W2 + I0•W1. (1.8)
Из этой формулы следует, что
1•W1 > I2•W2. (1.9)
Следовательно, ток I2 необходимо увеличить для корректировки потерь в трансформаторе тока. В трансформаторе тока выполняется приближённое равенство магнитодвижущих сил I1•W1 ? I2•W2. При уменьшении числа витков вторичной обмотки W2 увеличивается вторичный ток I2. Это называется подгонка числа витков трансформатора тока с целью повышения его точности. Токовая и угловая погрешности в отличие от графиков на рис. 1.4, б уменьшаться и будут находиться в допускаемой области погрешностей, показанной на рис. 1.5 [3]. Характерная форма токовой и угловой погрешности показана пунктирной линией.
Классы точности трансформатора тока: 0,2S; 0,2; 0,5S; 0,5; 1; 3; 5Р; 10Р. Как видно из табл. 1.2 [3], наименование класса точности соответствует предельной токовой погрешности трансформатора тока.
Как видно из второго столбца табл. 1.2 трансформаторы тока с классом точности с буквой S имеют нижний предел измерения первичного тока с допускаемой погрешностью 1 % от номинальной величины первичного тока. Трансформаторы тока c классом точности без буквы S имеют нижний предел 5 %. Пределы допускаемых погрешностей трансформатора тока зависят от вторичной нагрузки трансформатора тока и от величины первичного тока.
Таблица 1.2 Пределы допускаемых погрешностей для классов точности 0,2 и 0,5
Класс точности Первичный ток, % номинального значения Предел допускаемой погрешности Предел нагрузки, % номинального значения
токовой, % угловой
0,2 5 20 100-120 ±0,75 ±0,35 ±0,2 ±30' ±15' ±10' 25-100
0,2S 1 5 20 100 120 ±0,75 ±0,35 ±0,2 ±0,2 ±0,2 ±30' ±15' ±10' ±10' ±10' 25-100
0,5 5 20 100-120 ±1,5 ±0,75 ±0,5 ±90' ±45' ±30' 25-100
0,5S 1 5 20 100 120 ±0,15 ±0,75 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±90' ±45' ±30 ±30' ±30' 25-100
Рассмотрим 2 столбец табл. 1.2. В классах точности 0,2S и 0,5S трансформатор тока находится в заданном классе точности 0,2 или 0,5 в интервале первичного тока от 20 % до 120 %. Трансформаторы тока с классами точности 0,2 и 0,5 находятся в заданном классе точности при первичном токе в пределах 100 - 120 %.
Величина вторичной нагрузки трансформатора тока должна быть в пределах от 25 до 100 % номинального значения для работы в классе точности (см. столбец 5 табл. 1.2.).
1.3 Конструкции и схемы соединений трансформаторов тока
Конструкции трансформаторов тока
Классификация трансформаторов тока [3]:
Род установки:
а) внутренний, для установки в помещении;
б) наружный, для установки вне помещения;
в) встроенный (В) устанавливается внутри корпуса силовых трансформаторов или выключателей, внутри экранов токопроводов, в элегазовом оборудовании.
Способ установки:
а) проходной (П), используется для прохождения токоведущей части через перегородки;
б) опорный (О), применяется для крепления токоведущей части, выполняя функцию опорного изолятора.
Конструкция первичной обмотки:
а) одновитковая - шинная (Ш), земляная (З), не -имеющие собственной первичной обмотки, её функцию выполняет шина или трёх жильный кабель;
б) одновитковая - стержневая, с первичной обмоткой в виде прямолинейного стержня;
в) двух витковая, т.е. обмотка состоит из трубы и стержня, которые могут соединяться параллельно или последовательно;
г) многовитковая;
д) звеньевого типа (З), т.е. первичная обмотка состоит из нескольких секций. Секции соединяются последовательно или параллельно;
е) разъёмная (Р);
ё) каскадная (К).
Вид изоляции:
а) с фарфоровой покрышкой (Ф);
б) газонаполненный (Г);
в) литая (Л);
г) маслонаполненный (М);
д) в пластмассовом корпусе (П).
Принцип работы:
а) трансформатор с магнитопроводом;
б) воздушный трансформатор
в) оптический трансформатор.
В трансформаторах тока с литой и элегазовой изоляцией для изменения коэффициента трансформации переключения производятся в первичной обмотке, которая выполнена двух виткового типа (рис. 1.5). Первичная обмотка состоит из трубы и стержня. Для создания одного витка они включаются параллельно. На рис. 1.5, а показан вид сбоку трансформатора тока. Пунктиром условно показан корпус трансформатора тока. Для создания двух витков труба и стержень соединяются последовательно с помощью внешнего полукольца. На рис. 1.5, б показан вид сверху трансформатора тока.
Трансформаторы тока с магнитопроводом имеют бoльшую номинальную мощность, но из-за нелинейности кривой намагничивания ухудшается класс точности при небольших рабочих токах и при токах превышающих номинальное значение.
Воздушный трансформатор тока выполняется без магнитопровода. Следовательно, производится линейное преобразование первичного тока во вторичный.
В оптическом трансформаторе тока вокруг токоведущей части 1 располагается круговой поляризатор 2. Электронно-оптический блок посылает по световодам два световых сигнала. Эти сигналы, направленные встречно по отношению друг к другу, проходят в поляризаторе 2 несколько раз вокруг токоведущей части. Магнитное поле, создаваемое током протекающим в проводнике, изменяет скорость распространения света в световоде поляризатора. При этом замедляется один световой сигнал и ускоряется другой в зависимости от направления магнитного поля по отношению к световому сигналу (эффект Фарадея). Как только линейно поляризованные сигналы завершают свой путь вокруг проводника, они отражаются в зеркале 3 и идут обратно по оптоволокну 4 к электронно-оптическому блоку 5. Затем подача сигнала в поляризатор повторяется. Таким образом, при отсутствии тока через проводник два световых сигнала синхронизированы по фазе (рис. 1.6, б). Когда ток проходит через проводник магнитное поле сдвигает световые сигналы в противоположных направлениях (рис. 1.6, в). В электронно-оптическом блоке 5 производится измерение разности фаз ? двух световых сигналов. Преимуществами оптического трансформатора тока являются высокая точность и цифровой выходной сигнал.
Рассмотрим несколько примеров обозначений трансформаторов тока.
ТЛ-0,66 - трансформатор тока, с литой изоляцией, номинальное напряжение 0,66 кВ.
ТШЛ-0,66 - трансформатор тока, шинный, с литой изоляцией, номинальное напряжение 0,66 кВ.
ТОЛ-10 - трансформатор тока, опорный, с литой изоляцией, номинальное напряжение 10 кВ.
ТЛО-10 - трансформатор тока, с литой изоляцией, опорный, номинальное напряжение 10 кВ.
ТЛП-10 - трансформатор тока, проходной, с литой изоляцией, номинальное напряжение 10 кВ.
ТЗЛ-10 - трансформатор тока, для защиты от замыканий на землю, с литой изоляцией, номинальное напряжение 10 кВ.
ТВГ-24 - трансформатор тока, встроенный, генераторный, номинальное напряжение 24 кВ.
ТШВ-20 - трансформатор тока, шинный, встраиваемый в токопроводы, номинальное напряжение 10 кВ.
ТБМО-35 - трансформатор тока, баковый, маслонаполненный, одноступенчатый, номинальное напряжение 35 кВ.
ТГФ-110 - трансформатор тока, элегазовый, с фарфоровой покрышкой, номинальное напряжение 110 кВ.
ТФЗМ-220 - трансформатор тока, с фарфоровой покрышкой, с обмотками звеньевого типа, номинальное напряжение 220 кВ.
Первичная обмотка состоит из нескольких секций, которые соединяются последовательно или параллельно.
Схемы соединений трансформаторов тока
Питание измерительных приборов, устройств релейной защиты и автоматики производится по различным схемам соединений вторичных обмоток трансформаторов тока.
При большой вторичной нагрузке трансформатора тока может не обеспечиваться требуемый класс точности. В этом случае последовательно включаются первичные и вторичные обмотки двух трансформаторов тока, установленные на одной фазе. Величина вторичного тока остаётся неизменной (рис.1.7).
При параллельном согласном соединении вторичных обмоток трансформаторов величина тока в нагрузке (А3) равна сумме токов в каждом трансформаторе (А1) и (А2) (рис. 1.8). Например, эта схема соединений применяется на распределительном устройстве при подключении присоединений через два выключателя для измерения тока в присоединении.
На рис.1.9 показана схема соединений вторичных обмоток трансформаторов тока в звезду с нулевым проводом. В нулевом проводе ток равен геометрической сумме токов в фазах.
При соединении вторичных обмоток трансформаторов тока в неполную звезду (рис.1.10) ток в нулевом проводе равен их геометрической сумме с обратным знаком
I0 = -(Iа + IС). (1.10)
Следовательно, в симметричном режиме работы первичной сети
I0 = - Iв. (1.11)
Достаточно устанавливать трансформаторы тока в двух фазах для измерения трёх фазных токов в нормальном режиме работы сети. В сетях с изолированной нейтралью не бывает однофазных коротких замыканий, поэтому для релейной защиты не требуется установка трансформаторов тока в трёх фазах.
Схема соединений вторичных обмоток трансформаторов тока в треугольник, а приборов в звезду показана на рис.1.11. В приборе А1 протекает ток, равный геометрической разности токов в фазах А и В.
Рассмотрим схему соединения вторичных обмоток на разность токов двух фаз (рис.1.12). Ток через прибор равен
I = Iа - Iс. (1.12)
При симметричном первичном токе ток во вторичной цепи можно определить из векторной диаграммы трёхфазной сети. Он будет в раз больше фазного тока.
Параллельное соединение вторичных обмоток трансформатора тока образует фильтр тока нулевой последовательности (рис.1.13). Ток через прибор А0 равен току замыкания на землю.
2 Испытание трансформаторов тока
Производится изучение токовой погрешности трансформатора тока. Последовательно с испытуемым трансформатором тока соединён образцовый трансформатор (рис.2.1).
Показания амперметра во вторичной обмотке образцового трансформатора тока принимаются за точные значения.
Проверка погрешности трансформатора тока производится совместно с изучением формы вторичного тока в пункте 2.2.
Определяется зависимость вторичного тока от величины первичного тока. К вторичной обмотке испытуемого трансформатора тока подключается только амперметр. С помощью автотрансформаторов АТ1 и АТ2 изменяется ток во вторичной цепи от 0,1 А до номинального значения 5 А. По полученным данным производится расчёт токовой погрешности в зависимости от величины первичного тока в относительных единицах.
Снимается зависимость величины вторичного тока в цепи испытуемого трансформатора тока от величины вторичной нагрузки. С помощью автотрансформаторов АТ1 и АТ2 поддерживается постоянное значение показаний амперметра, подключённого к образцовому трансформатору тока. В качестве нагрузки поочерёдно используется амперметр, активные сопротивления R1-R3 и вторичная обмотка одного из трансформаторов тока, расположенного в центре стенда. Переключения производятся перемычками, как показано на рис. 2.1. По полученным данным рассчитывается токовая погрешность по отношению к показаниям амперметра на образцовом трансформаторе тока и строится график погрешности в функции сопротивления нагрузки. С помощью экстраполяции определяется сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока и сравнивается с допустимым сопротивлением нагрузки в классе точности 10Р равным 1 Ом. Подключение вторичной обмотки трансформатора тока проводятся с учебной целью для определения соотношения между сопротивлением вторичной обмотки трансформатора тока и величиной допустимой вторичной нагрузки.
