В электротехнике довольно часто возникает необходимость измерения величин с большими значениями. Для решения этой задачи применяются трансформаторы тока, назначение и принцип действия которых делает возможным проведение любых измерений. С этой целью выполняется последовательное включение первичной обмотки устройства в цепь с переменным током, значение которого необходимо измерить. Вторичная обмотка подключается к измерительным приборам. Между токами в первичной и вторичной обмотке существует определенная пропорция. Все трансформаторы этого типа отличаются высокой точностью. В их конструкцию входит две и более вторичных обмоток, к которым подключаются защитные устройства, измерительные средства и приборы учета.
Что такое трансформатор тока?
К трансформаторам тока относятся устройства, в которых вторичный ток, применяемый для измерений, находится в пропорциональном соотношении с первичным током, поступающим из электрической сети.
Включение в цепь первичной обмотки осуществляется последовательно с токопроводом. Подключение вторичной обмотки выполняется на какую-либо нагрузку в виде измерительных приборов и . Между токами обеих обмоток возникает пропорциональная зависимость, соответствующая количеству витков. В трансформаторных устройствах высокого напряжения выполняется изоляция между обмотками из расчета на полное рабочее напряжение. Как правило производится заземление одного из концов вторичной обмотки, поэтому потенциалы обмотки и земли будут примерно одинаковыми.
Все трансформаторы тока предназначены для выполнения двух основных функций: измерения и защиты. В некоторых устройствах обе функции могут совмещаться.
- Измерительные трансформаторы передают полученную информацию к подключенным измерительным приборам. Они устанавливаются в цепях с высоким напряжением, в которые невозможно включить напрямую приборы для измерений. Поэтому только во вторичную обмотку трансформатора выполняется подключение , счетчиков, токовых обмоток ваттметров и прочих приборов учета. В результате, трансформатор преобразует переменный ток даже очень высокого значения, в переменный ток с показателями, наиболее приемлемыми для использования обычных измерительных приборов. Одновременно обеспечивается изоляция измерительных приборов от цепей с высоким напряжением, повышается электробезопасность обслуживающего персонала.
- Защитные трансформаторные устройства в первую очередь передают полученную измерительную информацию на устройства управления и защиты. С помощью защитных трансформаторов, переменный ток любого значения преобразуется в переменный ток с наиболее подходящим значением, обеспечивающим питание устройств релейной защиты. Одновременно выполняется изоляция реле, к которых имеется доступ персонала, от цепей высокого напряжения.
Назначение трансформаторов
Трансформаторы тока относятся к категории специальных вспомогательных приборов, используемых совместно с различными измерительными устройствами и реле в цепях переменного тока. Главной функцией таких трансформаторов является преобразование любого значения тока до величин, наиболее удобных для проведения измерений, обеспечения питания отключающих устройств и обмоток реле. За счет изоляции приборов, обслуживающий персонал оказывается надежно защищен от поражения током высокого напряжения.
Измерительные трансформаторы тока предназначены для электрических цепей с высоким напряжением, когда отсутствует возможность прямого подключения измерительных приборов. Их основное назначение заключается в передаче полученных данных об электрическом токе на измерительные устройства, подключаемые к вторичной обмотке.
Немаловажной функцией трансформаторов является контроль над состоянием электрического тока в цепи, к которой они подключены. Во время подключения к силовому реле, выполняются постоянные проверки сетей, наличие и состояние заземления. Когда ток достигает аварийного значения, включается защита, отключающая все используемое оборудование.
Принцип работы
Принцип работы трансформаторов тока основан на . Напряжение из внешней сети поступает на силовую первичную обмотку с определенным количеством витков и преодолевает ее полное сопротивление. Это приводит к появлению вокруг катушки магнитного потока, улавливаемого магнитопроводом. Данный магнитный поток располагается перпендикулярно по отношению к направлению тока. За счет этого потери электрического тока в процессе преобразования будут минимальными.
При пересечении витков вторичной обмотки, расположенных перпендикулярно, происходит активация магнитным потоком электродвижущей силы. Под влиянием ЭДС появляется ток, который вынужден преодолевать полное сопротивление катушки и выходной нагрузки. Одновременно на выходе вторичной обмотки наблюдается падение напряжения.
Классификация трансформаторов тока
Все трансформаторы тока можно классифицировать, в зависимости от их особенностей и технических характеристик:
- По назначению. Устройства могут быть измерительными, защитными или промежуточными. Последний вариант используется при включении измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты и других аналогичных схемах. Кроме того, существуют лабораторные трансформаторы тока, отличающиеся высокой точностью и множеством .
- По типу установки. Существуют трансформаторные устройства для наружной и внутренней установки, накладные и переносные. Некоторые виды приборов могут встраиваться в машины, электрические аппараты и другое оборудование.
- В соответствии с конструкцией первичной обмотки. Устройства разделяются на одновитковые или стержневые, многовитковые или катушечные, а также шинные, например, ТШ-0,66.
- Внутренняя и наружная установка трансформаторов предполагает проходные и опорные способы монтажа этих устройств.
- Изоляция трансформаторов бывает сухая, с применением бакелита, фарфора, и других материалов. Кроме того, применяется обычная и конденсаторная бумажно-масляная изоляция. В некоторых конструкциях используется заливка компаундом.
- По количеству ступеней трансформации, устройства могут быть одно- или двухступенчатыми, то есть, каскадными.
- Номинальное рабочее напряжение трансформаторов может быть до 1000 В или более 1000 В.
Все характерные классификационные признаки присутствуют в тока, состоят из определенных .
Параметры и характеристики
Каждый трансформатор тока обладает индивидуальными параметрами и техническими характеристиками, определяющими область применения этих устройств.
Номинальный ток . Позволяет устройству работать в течение длительного времени без перегрева. В таких трансформаторах имеется значительный запас по нагреву, а нормальная работа возможна при перегрузках до 20%.
Номинальное напряжение . Его значение должно обеспечивать нормальную работу трансформатора. Именно этот показатель влияет на качество изоляции между обмотками, одна из которых находится под высоким напряжением, а другая заземлена.
Коэффициент трансформации . Представляет собой отношение между токами в первичной и вторичной обмотке и определяется по специальной формуле. Его действительное значение будет отличаться от номинального в связи с определенными потерями в процессе трансформации.
Токовая погрешность . Возникает в трансформаторе под влиянием тока намагничивания. Абсолютное значение первичного и вторичного тока различается между собой как раз на эту величину. Ток намагничивания приводит к созданию в сердечнике магнитного потока. При его возрастании, токовая погрешность трансформатора также увеличивается.
. Определяет нормальную работу устройства в своем классе точности. Она измеряется в Омах и в некоторых случаях может заменяться таким понятием, как номинальная мощность. Значение тока является строго нормированным, поэтому значение мощности трансформатора полностью зависит лишь от нагрузки.Номинальная предельная кратность . Представляет собой кратность первичного тока к его номинальному значению. Погрешность такой кратности может достигать до 10%. Во время расчетов сама нагрузка и ее коэффициенты мощности должны быть номинальными.
Максимальная кратность вторичного тока . Представлена в виде отношения максимального вторичного тока и его номинального значения, когда действующая вторичная нагрузка является номинальной. Максимальная кратность связана со степенью насыщения магнитопровода, при котором первичный ток продолжает увеличиваться, а значение вторичного тока не меняется.
Возможные неисправности трансформаторов тока
У трансформатора тока, включенного под нагрузку, иногда возникают неисправности и даже аварийные ситуации. Как правило, это связано с нарушениями электрического сопротивления изоляции обмоток, снижением их проводимости под влиянием повышенных температур. Негативное влияние оказывают случайные механические воздействия или некачественно выполненный монтаж.
В процессе работы оборудования наиболее часто происходит повреждение изоляции, вызывающее межвитковые замыкания обмоток, что существенно снижает передаваемую мощность. Токи утечки могут появиться в результате случайно созданных цепей, вплоть до возникновения короткого замыкания.
С целью предупреждения аварийных ситуаций, специалистами с помощью тепловизоров периодически проверяется вся действующая схема. Это позволяет своевременно устранить дефекты нарушения контактов, снижается перегрев оборудования. Наиболее сложные испытания и проверки проводятся в специальных лабораториях.
Содержание:
В процессе эксплуатации энергетических систем довольно часто решаются вопросы, связанные с необходимостью каких-либо установленных электрических величин в аналогичные величины с измененными значениями в определенной пропорции. Такая возможность позволяет выполнять безопасные измерения, производить моделирование определенных процессов в электроустановках. Для этого необходимо знать, как работает трансформатор тока, действие которого основано на , применяемого для электрических и магнитных полей.
В процессе работы выполняется преобразование первичной величины вектора тока, протекающего в силовой цепи, во вторичный ток с пониженным значением. Во время такого преобразования соблюдается пропорциональность по модулю и точная передача угла.
В каком режиме работает трансформатор тока
Работа трансформатора может осуществляться в нескольких режимах. Одним из них является режим холостого хода, при котором вторичная обмотка находится в разомкнутом состоянии. Потребление тока первичной цепью самое минимальное, поэтому он называется током холостого хода. Магнитное поле холостого хода образуется вокруг первичной обмотки. Данный режим считается абсолютно безвредным для трансформатора.
Основным является режим нагрузки, в который трансформатор переходит из режима холостого хода. Во вторичной обмотке начинается течение тока, создающего магнитный поток, направленный против магнитного поля в первичной обмотке. В первый момент значение этого магнитного потока уменьшается, что приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции в первичной обмотке.
Поскольку внешнее напряжение, приложенное к генератору, не изменяется, это приводит к нарушению электрического равновесия между приложенным напряжением и ЭДС самоиндукции, а ток в первичной обмотке увеличивается. Соответственно увеличивается и магнитный поток, а также электродвижущая сила самоиндукции. Однако значение тока в первичной обмотке будет выше, чем в режиме холостого хода. Таким образом, сумма магнитных потоков первичной и вторичной обмоток в режиме нагрузки, будет равна магнитному потоку первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода.
В режиме нагрузки, когда появляется вторичный ток, происходит возрастание первичного тока. Это приводит к падению напряжения во вторичной обмотке и его уменьшению. В случае снижения нагрузки, при которой вторичный ток уменьшается, наступает уменьшение и размагничивающего действия вторичной обмотки. Наблюдается рост магнитного потока в сердечнике и соответствующий рост самоиндукции ЭДС. Данный процесс, касающийся электрического равновесия, продолжается до тех пор, пока оно полностью не восстановится.
Одним из основных считается и , при котором во вторичной цепи будет практически нулевое сопротивление. Ток во вторичной цепи достигает максимального значения, магнитное поле во вторичной обмотке также будет иметь наивысший показатель. Одновременно, магнитное поле в первичной обмотке уменьшается и становится минимальным. Следовательно, происходит и снижение индуктивного сопротивления в этой обмотке. В то же время возрастает ток, потребляемый первичной цепью. Данная ситуация приводит к возникновению режима короткого замыкания, опасного не только для самого трансформатора, но и для всей цепи. Защита от короткого замыкания обеспечивается путем установки предохранителей в первичной или вторичной цепи.
Особенности работы трансформатора тока в разных условиях:
- Режим работы приближается к короткому замыканию, поскольку сопротивление нагрузки, подключаемой совместно со вторичной обмоткой, имеет минимальное значение. Фактически, работа трансформатора тока происходит в режиме короткого замыкания.
- Трансформатор тока своим режимом работы существенно отличается от других трансформаторных устройств. При изменении нагрузки в обычном трансформаторе, значение магнитного потока в сердечнике не изменяется при условии постоянно приложенного напряжения.
В каком режиме работает измерительный трансформатор напряжения
Важнейшими элементами высоковольтных цепей являются измерительные трансформаторы напряжения. Данные устройства предназначены для понижения высокого напряжения, после чего пониженное напряжение может питать измерительные цепи, релейную защиту, автоматику и учет, а также другие элементы. Таким образом, трансформаторы напряжения позволяют измерять напряжение в высоковольтных сетях, от них поступает питание на катушки реле минимального напряжения, счетчики, ваттметры, фазометры, а также на аппаратуру, контролирующую состояние изоляции сети.
С помощью трансформатора осуществляется понижение высокого напряжения до стандартных значений. С их помощью происходит разделение измерительных цепей и релейной защиты с первичными цепями высокого напряжения. Подключение первичной обмотки производится к источнику входного напряжения сети, а вторичная обмотка соединяется параллельно с катушками реле и измерительных приборов. Работа трансформатора напряжения осуществляется в режиме, приближенном к . Это связано с высоким сопротивлением приборов, подключенных параллельно и низким током, потребляемым ими.
Для обеспечения нормальной работы вторичных цепей установка трансформаторов напряжения может выполняться не только на шинах подстанции, но и на каждой точке подключения. Перед началом электромонтажных работ необходимо осмотреть устройство, проверить целостность изоляции, исправность узлов и элементов. С целью дальнейшей безопасной эксплуатации трансформатора, его корпус и вторичная обмотка заземляется. В результате, создается защита от возможного перехода высокого напряжения во вторичные цепи в случае пробоя изоляции.
Каждый трансформатор обладает определенной номинальной погрешностью и классами точности, составляющими 0,2; 0,5; 1; 3. Уровень погрешности зависит от конструкции магнитопровода, размеров вторичной нагрузки и других факторов. Компенсировать погрешность напряжения можно, если уменьшить количество витков первичной обмотки и компенсировать угловую погрешность специальными компенсирующими обмотками.
Трансформаторы тока (ТТ) предназначены для преобразования тока первичной сети во вторичный, имеющий стандартный уровень 1 или 5 А, используемый в качестве сигнала в системах измерения, учета и релейной защиты.
Для получения достоверной информации о режиме работы первичной сети и величине первичного тока I1, такие трансформаторы обладают особенной конструкцией, в сравнении с силовыми или трансформаторами напряжения.
Принцип работы
Основными составляющими частями ТТ являются магнитопровод, первичная и вторичная обмотки. Все величины относящиеся к первичной цепи ТТ индексируются цифрой 1, для вторичной – 2.
Первичная обмотка включается в контролируемую сеть последовательно, поэтому она должна иметь малое сопротивление, чтобы падение напряжения на ней практически отсутствовало. Вторичная обмотка замыкается на измерительные или другие приборы с малым сопротивлением, поэтому режим работы ТТ считается близким к режиму короткого замыкания.
I1, проходя по виткам обмотки ω1, создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1. Под его воздействием Ф1 во вторичной обмотке наводится I2, который в свою очередь создает поток Ф2, направленный встречно Ф1.
Результирующий поток Ф0 представляет из себя разность первичного и вторичного потока, и затрачивается на намагничивание сердечника. Если поток Ф0 выразить через силу намагничивания F0, получим выражение, характеризующее принцип работы ТТ:
〖 F〗_0=F_1-F_2; (1)
〖 I〗_0 ω_1=I_1 ω_1-I_2 ω_2; (2)
Из выражения 2 видно, что I_1 ω_1≠ I_2 ω_2. Разница между этими значениями зависит от величины тока намагничивания I0. По большому счету выражение 2 характеризует погрешность трансформатора тока. Значение приведенного вторичного тока ТТ находится по формуле:
〖 I〗_2^"=I_1∙Z_0/(Z_0+Z_2^"+Z_н^"); (3)
где Z0 – сопротивление ветви намагничивания;
Z2 – сопротивление проводов вторичной цепи;
Zн – суммированное сопротивление приборов во вторичной цепи;
I1 – первичный ток.
Из выражения 3 можно сделать вывод, чем меньше сумма Z_2^"+Z_н^" по отношению к Z_0, тем меньше погрешность. Поэтому всегда стремятся к малым значениям Z_2^" и Z_н^", то есть режим работы должен быть близким к режиму короткого замыкания.
Значения Z2 и Zн не зависят от величины тока проходящего по ним, тогда как Z0 не остается постоянным, а изменяется в зависимости от насыщения магнитопровода, при изменении тока I0. Поэтому погрешность ТТ меняется с изменением тока первичной цепи. Изменение Z_0 имеет нелинейный характер, и зависит от характеристики намагничивания сердечника.
Угловая и токовая погрешность ТТ прямо пропорциональны значению I0 и отношению ω1/ ω2, поэтому на величину погрешности можно повлиять изменением конструкции.
Ток намагничивания I0 зависит от формы магнитопровода и магнитных свойств материала из которого он изготовлен. Чем короче путь магнитного потока, больше активное сечение и выше магнитная проницаемость материала, тем меньший I0 потребуется для создания Ф0.
С другой стороны, уменьшить погрешность можно увеличив количество витков ω_2. В этом случае, для создания необходимой величины Ф2 потребуется меньший I0.
Однако, для сохранения заданного коэффициента трансформации - kтт, потребуется увеличить количество витков первичной обмотки, что приведет к увеличению габаритов и удорожанию оборудования.
На практике же, для компенсации погрешности применяют витковую поправку, когда отматывается часть вторичной обмотки для введения положительной погрешности и применение магнитных шунтов в цепи намагничивания.
Каждый ТТ рассчитан на определенный первичный ток I1н, называемый номинальным. Вторичный ток, как уже было сказано, имеет стандартные значения 1 или 5 А. От его величины зависит номинальная нагрузка вторичной цепи, измеряемая в Ом:
Z_н=Sн/(I_2н^2);
где Sн – полная мощность вторичной обмотки, является каталожной величиной, ВА;
I2н – номинальный вторичный ток 1 или 5 А.
Так например, если Sн равна 50 ВА, а вторичный ток 5 А, то номинальная нагрузка вторичной цепи должна иметь сопротивление 2 Ом, чтобы ТТ работал в классе. Если вторичный ток будет равен 1 А, номинальная нагрузка составит 50 Ом, что на порядок выше предыдущего варианта.
Важность такой величины вторичной номинальной нагрузки, заключается в возможности подключения большего числа потребителей, либо длина соединительных вторичных проводов может быть увеличена в разы. Такие ТТ применяются в ОРУ высоковольтных ПС, где широко распространены встроенные ТТ.
В обиходе ТТ не характеризуют только величиной I1 или I2, их принято характеризовать коэффициентом трансформации:
kтт=I_1/I_2 =ω_2/ω_1;
где ω – количество витков обмотки;
kтт – имеет стандартные значения, например 100/5, 200/5, 300/5, 600/5 и т. д.
Класс точности ТТ говорит о допустимой погрешности по току в процентах при номинальной вторичной нагрузке. Стандартный ряд классов точности: 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10. После цифровых значений класса точности можно встретить литеры: Р и S.
Р - это русская буква, обозначающая, что данный ТТ или обмотка ТТ используется в устройствах релейной защиты. Как правило, это трансформаторы с классом точности 5Р и 10Р. Буква S указывает, что ТТ имеет расширенный диапазон измерений по первичному току от 1% до 120%, тогда как трансформаторы не промаркированные S, работают с заданной погрешностью в диапазоне нагрузок 5%-120%.
ТТ с классом точности 0,2S и 0,5S используют в схемах коммерческого учета, если маркировка класса точности включает только цифровые значения, такие приборы используют для измерений.
Погрешность ТТ определяется по кривым, построенным в координатах погрешность-нагрузка. Погрешность, как токовая, так и угловая, откладывается по оси ординат. По оси абсцисс откладывается загрузка первичной обмотки ТТ в %.
а) Устройство и принцип действия
Принципиальным отличием трансформатора тока от трансформатора напряжения является то, что его первичная обмотка включается последовательно в цепь измеряемого тока и, следовательно, через нее проходит весь ток нагрузки или короткого замыкания. Этот ток является для трансформатора тока принужденным и проходит по его первичной обмотке независимо от состояния вторичной обмотки, т. е. от того, замкнута ли она на нагрузку, закорочена или разомкнута [Л. 43, 45, 47, 48, 56, 94].
Устройство и схема включения трансформатора тока показаны на рис. 6-11. Так же как и трансформатор напряжения, трансформатор тока состоит из стального сердечника С и двух обмоток: первичной и вторичной Часто трансформаторы тока изготавливаются с двумя и более сердечниками. В этих конструкциях первичная обмотка является общей для всех сердечников (рис. 6-11, 6). Первичная обмотка, выполняемая толстым проводом, имеет несколько витков и включается последовательно в цепь того элемента, в котором производится измерение тока или осуществляется защита. К вторичной обмотке, имеющей большое число витков, подключаются последовательно соединенные реле и приборы.
Ток, проходящий по первичной обмотке трансформатора тока, называется первичным и обозначается I 1 а ток во вторичной обмотке называется вторичным и обозначается I 2 .
Ток I 1 создает в сердечнике трансформатора тока магнитный поток Ф 1 который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней вторичный ток I 2 , который также создает в сердечнике магнитный поток Ф 2 но направленный противоположно магнитному потоку Ф 1 . Результирующий магнитный поток в сердечнике равен разности
Величина магнитного потока зависит не только от величины создающего его тока, но и от количества витков обмотки, по которой этот ток проходит. Произведение тока на число витков называется намагничивающей силой и выражается в ампер-витках (Ав). Поэтому выражение (6-3) можно заменить выражением
Отношение витков называется коэффициентом трансформации трансформатора тока.
Поскольку при величинах первичного тока, близких к номинальному значению, ток намагничивания не превышает 0,5-3% номинального тока, то в этих условиях можно с некоторым приближением считать I нам = 0. Тогда из выражения (6-5) следует:
Согласно действующему стандарту [Л. 46] отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току называется номинальным коэффициентом трансформации. Номинальные коэффициенты трансформации указываются на щитках трансформаторов тока, а также на схемах в виде дроби, в числителе которой - номинальный первичный ток, а в знаменателе - номинальный вторичный ток, например: 600/5 или 1 000/1.
|
Все пересчеты с первичного тока на вторичный и со вторичного на первичный производятся по этим номинальным коэффициентам трансформации по формулам:
Для правильного соединения трансформаторов тока между собой и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счетчиков выводы обмоток трансформаторов тока обозначаются (маркируются) заводами следующим образом: начало первичной обмотки-Л 1 начало вторичной обмотки - u 1 ; конец первичной обмотки - Л 2 , конец вторичной обмотки - u 2 .
При монтаже трансформаторов тока они обычно располагаются так, чтобы начала первичных обмоток Л 1 были обращены в сторону шин, а концы Л 2 - в сторону защищаемого оборудования.
При маркировке обмоток трансформаторов тока за начало вторичной обмотки н принимается тот ее вывод, из которого ток выходит, если в этот момент в первичной обмотке ток проходит от начала Н к концу К, как показано на рис. 6-12. При маркировке и включении реле по этому правилу ток в реле, как показано на рис. 6-12, при включении его через трансформатор тока сохраняет то же направление, что и при включении непосредственно в первичную цепь.
б) Погрешности трансформаторов тока
Коэффициент трансформации трансформаторов тока так же, как у трансформаторов напряжения, не является строго постоянной величиной и может из-за погрешностей отличаться от номинального значения. Величина погрешностей трансформатора тока зависит главным образом от кратности первичного тока по отношению к номинальному току первичной обмотки и от нагрузки, подключенной к вторичной
Обмотке. Классификация трансформаторов тока по допустимым погрешностям приведена в табл. 6-2.
|
Допустимые погрешности, приведенные в табл. 6-2, соответствуют нагрузкам вторичной обмотки, не превышающим номинальной, и при вторичном токе, не превышающем 120% номинального. При увеличении нагрузки или тока выше указанных значений погрешность возрастает и трансформатор тока переходит в другой класс точности.
Требования к работе трансформаторов тока, питающих защиту, существенно отличаются от требований к трансформаторам тока, питающим измерительные приборы. Если трансформаторы тока, питающие измерительные приборы, должны работать точно в пределах своего класса при токах нагрузки, близких к их номинальному току, то трансформаторы тока, питающие релейную защиту, должны работать с достаточной точностью при прохождении токов к. з., значительно превышающих номинальный ток трансформаторов тока.
Правила устройств электроустановок [Л. 41] требуют, чтобы трансформаторы тока, 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.
Погрешности возникают вследствие того, что действительный процесс трансформации в трансформаторе тока происходит с затратой мощности, которая расходуется на создание в сердечнике магнитного потока, перемагничивание стали сердечника (гистерезис), потери от вихревых токов, нагрев обмоток. Указанные потери мощности вносят искажения в полученные выше соотношения между первичным и вторичным токами (6-7).
Процесс трансформации тока из первичной обмотки во вторичную хорошо иллюстрируется так называемой схемой замещения трансформатора тока, приведенной на рис. 6-13. На этой схеме z 1 и z 2 - сопротивления первичной и вторичной обмоток, а z нам. - сопротивление ветви намагничивания, которое характеризует указанные выше потери мощности.
Из схемы замещения видно, что первичный ток I 1 входящий в начало первичной обмотки Н, проходит по ее сопротивлению z 1 и в точке а разветвляется по двум параллельным ветвям.
Основная часть тока, являющаяся вторичным током I 2 , замыкается через сопротивление вторичной обмотки z 2 и сопротивление нагрузки z H , состоящее из сопротивлений реле, приборов и соединительных проводов. Другая часть первичного тока I нам. замыкается через сопротивление ветви намагничивания и, следовательно, в реле, подключенное к вторичной обмотке трансформатора тока, не попадает. Поскольку из всех затрат мощности наибольшая часть приходится на создание магнитного потока в сердечнике, то ветвь между точками а и б схемы замещения трансформатора тока называется ветвью намагничивания и весь ток I нам. , проходящий по этой ветви, - током намагничивания.
Таким образом, схема замещения показывает, что во вторичную обмотку трансформатора тока поступает не весь трансформированный ток, равный I 1 / n T , а его часть и что, следовательно, процесс трансформации происходит c погрешностями.
На рис. 6-14 приведена упрощенная векторная диаграмма трансформатора тока, из которой видно, что вектор вторичного тока I 2 меньше первичного тока, деленного на коэффициент трансформации I 1 / n T , на величину и сдвинут относительно него на угол
(точки над обозначениями токов указывают на то, что вычитание должно производиться век-торно в соответствие с правилами, изложенными в гл. 1).
Различают следующие виды погрешностей трансформаторов тока.
Токовая погрешность, или погрешность в коэффициенте трансформации, определяется как арифметическая разность между первичным током, поделенным на номинальный коэффициент трансформации I 1 /n T и измеренным (действительным) вторичным током I 2 (отрезок на диаграмме рис. 6-14):
Угловая погрешность определяется как угол сдвига вторичного тока I 2 относительно первичного тока I 1 (см. рис. 6-14) и считается положительной, когда I 2 опережает I 1 .
Относительный ток намагничивания определяется как выраженное в процентах отношение численного значения вторичного тока намагничивания I нам к первичному току I 1 /n T:
где 
есть численное значение вектора
Тока намагничивания (I нам. на векторной диаграмме рис. 6-14). Относительный ток намагничивания характеризует общую погрешность трансформатора тока как по току, так и по углу.
Полная погрешность определяется как выраженное в процентах отношение действующего значения разности между мгновенными значениями первичного и вторичного токов к действующему значению первичного тока:
Из рассмотренного следует, что причиной возникновения погрешностей у трансформаторов тока является прохождение тока намагничивания, т. е. того самого тока, который создает в сердечнике трансформатора тока рабочий магнитный поток, обеспечивающий трансформацию первичного тока во вторичную обмотку. Чем меньше ток намагничивания, тем меньше погрешности трансформатора тока.
Как видно из схемы замещения (рис. 6-13), величина тока намагничивания зависит от э. д. с. Е 2 и сопротивления ветви намагничивания z нам, т. е.
Электродвижущая сила E 2 может быть определена, как падение напряжения от тока I 2 в сопротивлении вторичной обмотки z 2 и сопротивлении нагрузки z H , т. е.
Так как величина вторичного тока I 2 зависит от величины первичного тока I 1 , то Е 2 , а следовательно, и ток намагничивания I нам. возрастают при увеличении тока I 1 или увеличении сопротивления нагрузки z H , подключенной ко вторичной обмотке.
Сопротивление ветви намагничивания z нам зависит от конструкции трансформаторов тока и качества стали, из которой выполнен сердечник. Это сопротивление не является постоянной величиной, а зависит от характеристики намагничивания стали. При насыщении стали сердечника трансформатора тока z нам резко уменьшается, что приводит к возрастанию I нам и как следствие этого к возрастанию погрешностей трансформатора тока.
Таким образом, условиями, определяющими величины погрешностей трансформаторов тока, являются: отношение, т. е. кратность, первичного тока, проходящего через трансформатор тока, к его номинальному току и величина нагрузки, подключенной к его вторичной обмотке. Выбор трансформаторов тока по этим условиям рассмотрен в § 6-5.
в) Схемы соединения трансформаторов тока
Для подключения реле и измерительных приборов вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются в различные схемы. Наиболее распространенные схемы приведены на рис. 6-15.
На рис. 6-15, а дана основная схема соединения в звезду, которая применяется для включения защиты от всех видов однофазных и междуфазных к. з.
На рис. 6-15, б дана схема соединения в неполную звезду, используемая главным образом для включения защиты от междуфазных к. з. в сетях с изолированными нулевыми точками.
На рис. 6-15,в дана схема соединения в треугольник, используемая для получения разности фазных токов (например, для включения дифференциальной защиты трансформаторов).
На рис. 6-15, г дана схема соединения на разность токов двух фаз. Эта схема используется для включения защиты от междуфазных к. з., так же как схема на рис. 6-15, б.
На рис. 6-15, д дана схема соединения на сумму токов всех трех фаз, используемая для включения защиты от однофазных к. з. и замыканий на землю. Как известно, сумма токов симметричной трехфазной нагрузки, а также токов симметричного трехфазного и двухфазного к. з. равна нулю. Поэтому в указанных случаях ток в реле, подключенном к этой схеме, также равен нулю. При однофазных к. з. и замыканиях на землю ток проходит только по одной поврежденной фазе, поэтому сумма фазных токов не будет равна нулю и в реле будет проходить ток повреждения.
Практически из-за того, что трансформаторы тока имеют неодинаковые погрешности, в реле и при симметричных токах в фазах проходит небольшой ток, называемый током небаланса. Рассмотренная схема называется также схемой фильтра нулевой последовательности.
На рис. 6-15, e дана схема последовательного соединения двух трансформаторов тока, установленных на одной фазе.
При таком соединении нагрузка, подключенная к ним, распределяется поровну, т. е. на каждый уменьшается в 2 раза. Происходит это потому, что ток в цепи, равный I 2 = I 1 /n T , остается неизменным, а напряжение, приходящееся па каждый трансформатор тока, составляет I 2 z H / 2. Рассмотренная схема применяется при использовании маломощных трансформаторов тока, например, встроенных в вводы выключателей.
На рис. 6-15, ж дана схема параллельного соединения двух трансформаторов тока, установленных на одной фазе. Схема имеет особенность, которая состоит в том, что ее коэффициент трансформации в 2 раза меньше коэффициента трансформации одного трансформатора тока. Происходит это от того, что ток в реле равен сумме вторичных токов трансформаторов тока, т. е. в 2 раза больше каждого. Поэтому если коэффициент трансформации каждого трансформатора тока равен n T =I 1 / I 2 , то коэффициент трансформации схемы равен n CX =I 1 / 2 I 2 , т. е. в 2 раза меньше.
Это свойство используется для повышения мощности встроенных трансформаторов тока тина ТВ-35 с малыми коэффициентами трансформации: 50/5, 75/5. Дело в том, что вторичная обмотка трансформатора тока ТВ-35 с коэффициентом трансформации, например, 50/5 = 10 должна иметь всего 10 витков, так как токоведущий стержень ввода представляет собой одновитковую первичную обмотку. При таком малом числе витков трансформатор тока имел бы весьма малую мощность. Для повышения мощности эти трансформаторы тока выполняются с коэффициентом трансформации не 50/5, а 50/2,5 - 20 и имеют поэтому 20 витков вторичной обмотки. Благодаря удвоенному количеству витков мощность трансформатора тока возрастает, но для получения стандартного коэффициента трансформации 50/5 вторичные обмотки двух трансформаторов тока одной фазы 50/2,5 соединяются параллельно.
Кроме того, схема параллельного соединения используется для получения нестандартных коэффициентов трансформации. Например, для получения коэффициента трансформации 37,5/5 соединяют параллельно два стандартных трансформатора тока с коэффициентом трансформации 75/5.
Трансформаторы в инфраструктуре систем энергетического обеспечения могут иметь разное значение. Классические конструкции используются с целью преобразования отдельных параметров тока до величин, оптимально подходящих для проведения замеров. Есть и другие разновидности, в перечень задач которых входит коррекция характеристик напряжения до уровня, оптимального с точки зрения дальнейшей передачи и распределения энергетического ресурса. При этом назначение определяет не только его конструкционное устройство, но и перечень дополнительных функций, не говоря о принципе работы.
Устройство трансформаторов
Практически все модификации трансформаторов такого типа оснащаются магнитопроводами, которые снабжаются вторичной обмоткой. Последняя нагружается при эксплуатации в соответствии с регламентными величинами в показателях сопротивления. Соблюдение определенных нагрузочных показателей важно для последующей точности измерения. Разомкнутая обмотка не может создавать компенсации магнитных потоков в сердечнике, что способствует перегреву магнитопровода, а в некоторых случаях - и его сгоранию.
В то же время формируемый обмоткой первичного ряда, отличается более высокими рабочими характеристиками, что также может способствовать перегреву магнитного провода и его сердечника. Надо сказать, что токопроводящая инфраструктура формирует общую систему, на которой базируются трансформаторы тока и напряжения. Назначение электротехнического агрегата в данном случае не имеет принципиального значения - особенности функционирования обуславливаются скорее применяемыми материалами. В случае с преобразователями тока, например, сердечник магнитопровода изготавливается из аморфных нанокристаллических сплавов. Такой выбор связан с тем, что конструкция получает возможность работы с более широким диапазоном технико-эксплуатационных величин в зависимости от класса точности.
Назначение трансформатора тока
Главной задачей традиционного трансформатора тока является преобразование. Аппаратная электротехническая начинка корректирует характеристики обслуживаемого тока, используя для этого первичную обмотку, включенную в цепь последовательно. В свою очередь, вторичная обмотка выполняет функцию непосредственного измерения преобразованного тока. Для этого в данной части предусмотрены реле с приборами измерения, а также устройства защиты и автоматической регуляции. В частности, назначение измерительного трансформатора тока может заключаться в измерении и учете с помощью приборов низкого напряжения. При этом соблюдается условие, при котором ток высокого напряжения регистрируется с доступом персонала к непосредственному наблюдению за процессом. Фиксация рабочих величин требуется для более рационального использования энергии при передаче в последующих линиях. Пожалуй, это одна из немногих общих подфункций, которую имеют преобразующие и силовые модели трансформаторов. Подробнее стоит рассмотреть отличия между этими агрегатами.
Отличия от трансформатора напряжения
Чаще всего специалисты указывают на способ выполнения изоляции между обмотками. В трансформаторах тока первичную обмотку изолируют от вторичной в соответствии с показателями полного принимаемого напряжения. При этом вторичная обмотка будет иметь заземление, поэтому и потенциал ее соответствует аналогичному показателю. Кроме того, функционируют в условиях, приближенных к ситуациям короткого замыкания, поскольку у них весьма скромный уровень сопротивления на вторичной линии. В этом нюансе и проявляется специфическое назначение измерительных трансформаторов тока и напряжения, а также разница в требованиях к условиям эксплуатации.
Так, если работа под угрозой короткого замыкания для напряжения недопустима из-за риска аварии, то для обычного преобразователя тока этот режим функционирования считается нормальным и безопасным. Хотя, конечно, есть у таких трансформаторов и свои угрозы, для предотвращения которых предусматриваются специальные средства защиты.
Принцип работы
Электромагнитная индукция является базовым принципом, на котором основывается рабочий процесс таких трансформаторов. Как уже отмечалось, основными функциональными элементами выступают магнитный проводник и два уровня обмоток. К первому подается электрический заряд от переменного тока, а второй уровень реализует уже непосредственно рабочую функцию в виде измерения. По мере прохождения тока через витки обмотки происходит индукция.
Далее, по закону электромагнитной индукции, который как раз обуславливает назначение и принцип работы трансформаторов тока, фиксируются рабочие величины на линии. Пользователь с помощью специального оборудования может определить характеристики магнитного потока - следовательно, фиксируются частота и напряжение источника тока. Техническим параметром обследования характеристик работы цепи будет являться скорость произведения замера - это значение не является целевым, но его важно оценивать для понимания эффективности работы самого трансформатора.
Разновидности трансформаторов тока
Выделяют три основные категории преобразователей тока. Наиболее распространены так называемые у которых первый уровень обмотки вовсе не изолируется от первого. Соответственно, параметры вторичного тока напрямую зависят от показателя коэффициента преобразования.
Также популярны тороидальные модели, конструкция которых предусматривает возможность их установки на кабель или шину. По этой причине вовсе пропадает потребность в первичной обмотке, которой оснащаются типовые трансформаторы тока и напряжения. Назначение и устройство таких моделей определяются их особым принципом работы - в данном случае первичный ток будет протекать по центральному проводнику в корпусе, позволяя вторичной обмотке напрямую фиксировать рабочие показатели. Но в силу разных причин, в том числе связанных с низкой точностью замеров и ненадежностью конструкции, такие модели редко применяются для оценки характеристик тока. Чаще их используют в целях вспомогательного защитного звена на случай короткого замыкания.
Также применяются и высоковольтные трансформаторы - газовые и масляные. Их обычно задействуют в специализированных проектах в промышленности.
Коэффициент трансформации
Для оценки эффективности работы самого трансформатора была введена величина коэффициента преобразования. Его номинальное значение обычно указывается в официальной документации к трансформатору. Данный коэффициент обозначает отношение первичного номинального тока к аналогичному показателю второй обмотки. К примеру, это может быть значение 100/5 А. Оно может резко изменяться в зависимости от количества секций с витками.
Также следует учитывать, что номинальный коэффициент далеко не всегда соответствует фактическому. Отклонение определяется условиями, в которых эксплуатируются трансформаторы тока. Назначение и принцип действия во многом определяют показатели погрешности, но и этот нюанс не является причиной для отказа от учета номинального коэффициента трансформации. Зная величину той же погрешности, пользователь может ее нивелировать посредством специальной электротехнической аппаратуры.
Установка трансформатора тока
Простейшие шинные модели трансформаторов практически не требуют применения специальной техники и даже инструмента. Такое устройство может установить один мастер с помощью специальной зажимной арматуры. Стандартные же конструкции требуют создания фундамента, на котором монтируются несущие стойки. Далее электросваркой крепится каркас, который выступит своего рода для заключения необходимой аппаратуры. На заключительном этапе производится монтаж оборудования. Каким будет комплект технического оснащения, определяет назначение трансформатора тока и особенности его будущей эксплуатации. Как минимум интегрируется инфраструктура, требуемая для выполнения замеров характеристик обслуживаемой цепи.
Способы подключения трансформаторов
Для облегчения процедуры соединения проводки с оборудованием производители комплектующих наносят на них маркировку - например, токовые реле и трансформаторы могут обозначаться ТАа, ТА1, КА1 и т. д. Благодаря такой маркировке обслуживающий персонал сможет быстро и безошибочно произвести сопряжение между элементами, которыми оснащается трансформатор тока. Устройство, назначение и принцип действия установки в данном случае тесно взаимосвязаны и оказывают влияние на способ подключения, но при этом немалое влияние на характер технической реализации системы преобразования оказывает и обслуживаемая сеть как таковая. Например, трехфазные линии с изолированной нейтралью допускают установку трансформаторов лишь на двух фазах. Такая особенность обусловлена тем, что сети с диапазоном 6 -35 кВ не имеют нулевого провода.
Поверка трансформаторов
Комплекс поверочных мероприятий состоит из нескольких операций. В первую очередь это визуальный осмотр объекта, в ходе которого оценивается целостность конструкции, корректность тех же маркировок, соответствие паспортным данным и т. д. Затем производится размагничивание оборудования - например путем плавного увеличения тока на обмотке первого уровня. После этого значение тока плавно снижается до нуля.
Далее подготавливаются основные поверочные действия, которым будут подвержены измерительные трансформаторы тока. Назначение и принцип действия важно учитывать при такой подготовке, поскольку уровень нагрузки и другие эксплуатационные факторы обуславливают разные величины погрешностей в регистрации характеристик рабочей среды. Сама же поверка предусматривает оценку соответствия полярности клемм обмоток нормативным параметрам, а также фиксацию погрешностей с последующей их сверкой со значениями, указанными в паспорте агрегата.
Безопасность при эксплуатации трансформатора
Главные опасности в эксплуатации трансформаторов тока связаны с качеством выполнения обмоток. Важно учитывать, что под слоями витков работает металлическая основа, которая в оголенном виде может представлять немалую угрозу для персонала. Поэтому составляется график обслуживания, в соответствии с которым регулярно проверяются трансформаторы тока. Назначение и принцип действия в данном случае могут быть ориентированы и на преобразование напряжения, и на измерение тока. В обоих случаях обслуживающий персонал должен тщательно следить за состоянием обмоток. В качестве мер предохранения в рабочую конструкцию вводятся шунтирующие закоротки, а также поддерживается заземление выводов обмотки.
Заключение
По мере повышения эксплуатационных нагрузок на линии электропроводки заметно понижается рабочий ресурс обслуживающих станций. Несмотря на то что назначение трансформатора тока не связано с преобразованием высокого напряжения, такое оборудование также подвергается серьезному износу. В целях повышения эксплуатационного ресурса таких установок производители используют более технологичные материалы и для электромагнитной оснастки, и для выполнений той же обмотки. Вместе с этим совершенствуется оборудование на измерительных реле, в результате чего минимизируется и коэффициент погрешности замеров.