Глава XII
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
§ 47. Общие сведения
К измерительным трансформаторам относятся трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Они служат для включения измерительных приборов, реле и различных автоматических устройств.
Применение измерительных трансформаторов обеспечивает:
- безопасность обслуживания приборов и реле, для чего один конец вторичных обмоток трансформаторов заземляется;
- удобство обслуживания приборов и реле, так как они устанавливаются на щитах вне ячейки высокого напряжения;
- удешевление и упрощение приборов вследствие стандартизации токов и напряжений на вторичной стороне трансформаторов;
- защиту обмоток, включаемых в цепь последовательно, от воздействия больших токов короткого замыкания.
Трансформаторы напряжения применяются только в установках высокого напряжения, а трансформаторы тока как в установках до 1000 в, так и в установках более 1000 в.
Основным требованием, предъявляемым к измерительным трансформаторам, является неизменность соотношения между первичными измеряемыми величинами и величинами во вторичных обмотках трансформатора, а также сохранения фазных углов трансформируемых величин.
§ 48. Устройство и работа трансформаторов тока
Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно с нагрузкой, а вторичная обмотка — на неизменное сопротивление z2 (рис. 48-1).
Если в обычном силовом трансформаторе I1=f(I2), то в трансформаторе тока I2=φ(I1). Если в силовом трансформаторе при разомкнутой вторичной обмотке в цепи первичной будет протекать ток холостого хода, то в трансформаторе тока размыкание цепи вторичной обмотки не влияет на первичный ток. В этом случае из-за отсутствия размагничивающего потока вторичной обмотки магнитная индукция в сердечнике от 800—1000 гс для нормального режима достигает насыщения, а э. д. с. вторичной обмотки мо?кет достигнуть нескольких сотен вольт (рис. 48-2). Кроме того, работа трансформатора тока с разомкнутой вторичной обмоткой вызывает значительное увеличение потерь в стали сердечника, что приводит к его разогреву.
Таким образом, работа трансформатора тока с разомкнутой вторичной обмоткой недопустима. При снятии приборов из цепи вторичной обмотки трансформатора тока последняя должна быть закорочена.
По величине погрешности судят о классе точности трансформатора тока, который определяется для номинального значения первичного тока. Всего существуют пять классов точности: 0,2; 0,5; 1; 3 и 10.
Трансформаторы класса 0,2 употребляют для точных измерений при исследованиях; класс 0,5 — для питания измерительных приборов и счетчиков учета энергии при денежном расчете; класс 1—для счетчиков технического учета энергии и для различного рода контрольных приборов; классы 3 и 10 — для устройств, не требующих точности измерений, и для релейной защиты.
Угловой погрешностью трансформатора тока называют угол между вектором первичного тока и повернутым на 180° вектором вторичного тока. Угловая погрешность выражается в минутах угла и считается положительной, когда вектор первичного тока отстает от повернутого вектора вторичного тока.
С увеличением сопротивления во вторичной цепи трансформатора
при прочих неизменных условиях (φ2=const, I1 = const) возрастает э. д. с. Е2. Это вызовет увеличение намагничивающей силы (н. с.), что приведет к увеличению токовой и угловой погрешностей.
Например, трансформатор тока типа ТПФ с коэффициентом трансформации 400/5 работает в классе 0,5 при сопротивлении z2=0,6 Ом. Если сопротивление увеличить до 1,2 Ом, то трансформатор переходит в класс 1-й, а при 3 Ом — в класс 3-й.
Поскольку внешнее сопротивление во вторичной обмотке трансформатора оказывает решающее влияние на токовую погрешность, то выбор трансформатора производят по мощности вторичной обмотки:
(48—3)
На погрешность влияет также и величина первичного тока I1. Это связано с кривыми намагничивания стального сердечника трансформатора. При изменении первичного тока в пределах от 0 до Iном индукция в сердечнике меняется от 0 до 1000 гс. Уменьшение погрешности трансформаторов тока в этом случае может быть достигнуто увеличением сечения сердечника, применением для сердечников лучших магнитных материалов либо увеличением числа витков первичной и вторичной обмоток.
Однако эти способы не нашли применения вследствие того, что в первом случае увеличиваются затраты на сталь, а во втором случае — стоимость меди. Практически уменьшение погрешности в трансформаторах тока достигается при помощи подгонки витков и компенсации.
Подгонка витков трансформатора тока в сущности заключается в том, что число витков вторичной обмотки несколько уменьшают против расчетной величины [см. (48-1)]. Это приводит к тому, что при прежнем токе I1 ток I2 увеличивается и, таким образом, погрешность несколько уменьшается [см. (48-2)].
Если для подгонки требуется отмотать часть витка, то это делается так, как показано на рис. 48-3.
Компенсация погрешности трансформатора тока основана на искусственном повышении магнитной проницаемости стали сердечника на участке рабочей характеристики. Повышение магнитной проницаемости уменьшает намагничивающие ампервитки, создающие магнитный поток Ф0, а это приводит к уменьшению погрешности.
Компенсация осуществляется противонамагничиванием и при помощи магнитного шунта (рис. 48-4).
Рис. 48-3. Схема отмотки части витков
Рис. 48-4. Принципиальная схема многовиткового трансформатора тока с самоподмагничиванием
Компенсация противонамагничиванием или самоподмагничиванием осуществляется таким образом, что последовательно с общей вторичной обмоткой, охватывающей оба сердечника, соединяются дополнительные обмотки, охватывающие лишь один сердечник. Первичная обмотка охватывает также оба сердечника, но в окне сердечника II. Число витков первичной обмотки будет на один меньше (см. рис. 48-4).
Намагничивающие силы обмоток сердечников I и II будут
В сердечнике I будет преобладать н. с. первичной обмотки, а в сердечнике II — н. с. вторичной обмотки. Намагничивающие силы ΘI и ΘII и соответствующие магнитные потоки ФI и ФII будут в противофазе, поэтому результирующая н. с. Θ0 будет меньше отдельных составляющих ΘI и ΘII.
Рис. 48-5. Характеристики токовой погрешности трансформаторов тока:
1 — без подмагничивания; 2 — с подмагничиванием
Рис. 48-6. Устройство стального сердечника трансформатора тока с магнитным шунтом
Таким образом, представляется возможным довести индукцию в сердечниках до максимального значения магнитной проницаемости. Это позволяет уменьшить сечение сердечника и получить достаточно пологую характеристику погрешности (рис. 48-5).
Компенсация магнитными шунтами (метод МЭИ)* по принципу действия аналогична методу подмагничивания (рис. 48-6). Здесь вторичные обмотки на стержнях I и II разделены на две неравные части. Намагничивающие силы обмоток I и II находятся в противофазе аналогично трансформатору с двумя сердечниками (см. рис. 48-4). Магнитный шунт эффективно действует до его насыщения, т. е. в пределах первичных токов до 10-50%.
Компенсированные трансформаторы тока предназначены для присоединения измерительных приборов, но не для релейной защиты.
Релейная защита в условиях коротких замыканий работает при токах, во много раз превышающих номинальный ток трансформатора. В этом случае за счет большого тока намагничивания сердечник работает в условиях, близких к насыщению.
Для обеспечения правильной работы релейной защиты при к. з. погрешность по току не должна превосходить 10%.
В соответствии с этим требованием для всех типов трансформатора тока существуют 10%-ные кратности тока к. з.
Чтобы релейная защита работала в пределах 10%-ной погрешности, для каждого значения кратности тока к. з. по отношению к номинальному току первичной обмотки трансформатора должно быть определено значение сопротивления в цепи вторичной обмотки (рис. 48-7).
При выборе трансформаторов тока, кроме коэффициента трансформации и погрешности, необходимо учитывать и устойчивость трансформаторов к токам короткого замыкания.
Электродинамическая устойчивость трансформатора ток а характеризуется коэффициентом динамической кратности
(48-5), где макс — амплитуда максимального тока.
Рис. 48-7. Характеристика 10%-ных кратностей:
1 — трансформатор ТПФМ, класс 0,5; 2 — трансформатор ТПФМУ, класс 0,5
Термическая устойчивость трансформаторов тока характеризуется коэффициентом термической устойчивости
(48-6)
где I1 сек — максимальное значение неизменного тока, который в течение 1 сек нагревает обмотки трансформатора до предельно допустимой температуры.