Лекция 3 Тема: «Измерительные преобразователи»

Назначение и устройство трансформаторов тока. Трансформаторы тока (ТТ) служат для разделения (изоляции) первичных и вторичных цепей, а так же для приведения величины тока к уровню удобному для измерения (стандартный номинальный ток вторичной обмотки 1 А или 5 А).

Устройство и схема включения ТТ показаны на рис. 1. ТТ состоит из стального сердечника С и двух обмоток: первичной (с числом витков w1) и вторичной (с числом витков w2). Часто ТТ изготовляются с двумя и более сердечниками. В таких конструкциях первичная обмотка является общей для всех сердечников (рис. 1, б). Первичная обмотка, выполняемая толстым проводом, имеет несколько витков и включается последовательно в цепь того элемента, в котором производится измерение тока, или защита которого осуществляется. К вторичной обмотке, выполняемой проводом меньшего сечения и имеющей большое число витков, подключаются последовательно соединенные реле и приборы.

Рис. 1 Устройство и схема включения трансформаторов тока;

а – с одним сердечником; б – с двумя сердечниками

Ток, проходящий по первичной обмотке ТТ, называется первичным и обозначается , а ток во вторичной обмотке называется вторичным и обозначается . Ток создает в сердечнике ТТ магнитный поток Ф₁, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней вторичный ток , также создающий в сердечнике магнитный поток Ф₂, но направленный противоположно магнитному потоку Ф₁. Результирующий магнитный поток в сердечнике равен разности:

, (1)

Магнитный поток зависит не только от значения создающего его тока, но и от количества витков обмотки, по которой этот ток проходит. Произведение тока на число витков называется магнитодвижущей силой и выражается в ампервитках (А•вит.). Поэтому, выражение (1) можно заменить выражением:

, (2)

или , (3)

где: – ток намагничивания, являющийся частью первичного тока, обеспечивает результирующий магнитный поток в сердечнике (в дальнейшем обозначается I_нам); – число витков первичной и вторичной обмоток.

Разделив все члены выражения на w₂, получим:

Поскольку при значениях первичного тока, близких к номинальному, ток намагничивания не превышает 0,5—3% номинального тока, то в этих условиях можно с некоторым приближением считать . Тогда из выражения (4.4) следует:

, (4)

Отношение витков называется коэффициентом трансформации ТТ.

, (5)

Согласно действующему стандарту, отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току называется номинальным коэффициентом трансформации. Номинальные коэффициенты трансформации указываются на щитках ТТ, а также на схемах в виде дроби, в числителе которой – номинальный первичный ток, а в знаменателе – номинальный вторичный ток, например: 600/5 А или 1000/1 А. Определение вторичного тока по известному первичному и, наоборот, производится по номинальным коэффициентам трансформации в соответствии с формулами:

, (6)

Для правильного соединения ТТ между собой и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счетчиков, выводы обмоток ТТ обозначаются (маркируются) заводами-изготовителями следующим образом: начало первичной обмотки – Л₁, начало вторичной обмотки – и₁ конец первичной обмотки – Л₂, конец вторичной обмотки – u₂. При монтаже ТТ они обычно располагаются 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 Н(и₁) принимается тот ее вывод, из которого ток выходит, если в этот момент в первичной обмотке ток проходит от начала Н(Л₁) к концу К( Л2), как показано на рис. 2. При включении реле КA по этому правилу, ток в реле, как показано на рис.2, при включении его через ТТ сохраняет то же направление, что и при включении непосредственно в первичную цепь.

Рис. 2 Маркировка (обозначение) выводов

обмоток трансформаторов тока

В нормальном режиме трансформаторы тока, вторичная обмотка которых замкнута на малое сопротивление токовых обмоток приборов и реле, работают в режиме близком к короткому замыканию.

Схемы соединения трансформаторов тока

Для подключения реле и измерительных приборов вторичные обмотки ТТ соединяются в раз-личные схемы. Наиболее распространенные схемы приведены на рис. 3.

На рис. 3, а дана основная схема соединения в звезду, которая применяется для включения защиты от всех видов однофазных и междуфазных КЗ; на рис. 3, б – схема соединения в неполную звезду, используемая главным образом для включения защиты от междуфазных КЗ в сетях с изолированными нулевыми точками; на рис. 3, в – схема соединения в треугольник, используемая для получения разности фазных токов (например, для включения дифференциальной защиты трансформаторов); на рис. 3, г – схема соединения на разность токов двух фаз. Эта схема используется для включения защиты от междуфазных КЗ, так же как схема на рис.3, б на рис. 3, д – схема соединения на сумму токов всех трех фаз (фильтр токов нулевой последовательности), используемая для включения защиты от однофазных КЗ и замыканий на землю.

На рис. 3, е дана схема последовательного соединения двух трансформаторов тока, установленных на одной фазе. При таком соединении нагрузка, подключенная к ним, распределяется поровну, т. е. на каждом из них уменьшается в 2 раза. Происходит это потому, что ток в цепи, равный , остается неизменным, а напряжение, приходящееся на каждый ТТ, составляет половину общего.

Рис. 3 Схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов тока

Рассмотренная схема применяется при использовании маломощных ТТ (например, встроенных во вводы выключателей и трансформаторов).

На рис. 3, ж дана схема параллельного соединения двух ТТ, установленных на одной фазе. Коэффициент трансформации этой схемы в 2 раза меньше коэффициента трансформации одного ТТ.

Схема параллельного соединения используется для получения нестандартных коэффициентов трансформации. Например, для получения коэффициента трансформации 37,5/5 А соединяют параллельно два стандартных ТТ с коэффициентом трансформации 75/5 А.

Выбор трансформаторов тока

Исходные данные. Все трансформаторы тока выбираются, как и другие аппараты, по номинальному току и напряжению установки и проверяются на термическую и электродинамическую стойкость при КЗ. Кроме того, ТТ, используемые в цепях релейной защиты, проверяются на значение погрешности, которая, как указывалось выше, не должна превышать 10% по току и 7° по углу. Для проверки по этому условию в информационных материалах заводов – поставщиков ТТ и в другой справочной литературе даются характеристики и параметры ТТ:

1) кривые зависимости 10 %-ной кратности т от сопротивления нагрузки Z_K, подключенной к вторичной обмотке ТТ. Десятипроцентной кратностью m называется отношение, т. е. кратность, первичного тока, проходящего через ТТ, к его номинальному току, при которой токовая погрешность ТТ составляет 10% при заданной нагрузке Z_H. Угловая погрешность при этом достигает 7° (рис. 4).

Рис. 4 Упрощенная векторная диаграмма трансформатора тока.

Таким образом, зная кратность первичного тока, проходящего через ТТ, можно по кривым 10%-ной кратности для данного типа ТТ определить допустимую нагрузку Z_H.доп., при которой погрешность ТТ не будет превышать 10%. И, наоборот, зная действительное значение нагрузки, которая подключена (или должна быть подключена) к вторичной обмотке ТТ Z_H, можно по кривым 10%-ной кратности определить допустимую кратность первичного тока m_доп. при которой токовая погрешность ТТ также не будет превышать 10%.

2) кривые зависимости предельной кратности К₁₀ от сопротивления нагрузки Z_H, подключенной к вторичной обмотке. Согласно указанному ГОСТ предельной кратностью К₁₀ называется наибольшее отношение, т. е. наибольшая кратность, первичного тока, проходящего через ТТ, к его номинальному току, при которой полная погрешность ТТ (ε) при заданной вторичной нагрузке не превышает 10%. При этом гарантируемая предельная кратность при номинальной вторичной нагрузке Z_H.ном. называется номинальной предельной кратностью.

3) типовые кривые намагничивания, представляющие собой зависимость максимальных значений индукции (В) в сердечнике от действующих значений напряженности магнитного поля Н при средней длине магнитного пути; определенном сечении сердечника; (номинальном значении магнитодвижущей силы (А).

, (7)

Напряженность магнитного поля (А/см) выражается формулой:

, (8)

где: - намагничивающий ток, А; - средняя длина магнитного пути, см.

Таким образом, эта характеристика является характеристикой железа, из которого сделан ТТ, а для конкретного трансформатора тока она пересчитывается в вольт-амперную с учетом числа витков и геометрических размеров сердечника.

Определив В по указанной формуле, по кривой намагничивания определяют Н, ток намагничивания I_нам а затем вторичный ток ТТ:

, (9)

Следует иметь в виду, что ГОСТом допускается 20% отклонение характеристик от типовой. Поэтому рассчитанную характеристику нужно понизить по напряжению на 20%.

Действительные характеристики намагничивания (называются ниже вольт-амперными), представляющие собой зависимость напряжения на зажимах вторичной обмотки ТТ U₂ от проходящего по этой обмотке тока намагничивания, т.е. _. Пользуясь действительными характеристиками намагничивания, можно также определить и I₂ и оценить допустимость полученной погрешности. Эта характеристика снимается непосредственно на используемом трансформаторе тока.

Нагрузка вторичной обмотки трансформаторов тока. Нагрузка вторичной обмотки ТТ складывается из последовательно включенных сопротивлений: реле, приборов, жил контрольного кабеля, переходного сопротивления в месте контактных соединении:

, (10)

где – сопротивления реле, приборов, кабеля переходных контактов соответственно.

Для упрощения расчетов производится арифметическое a не геометрическое сложение полных и активных сопротивлений. Нагрузка вторичной обмотки ТТ зависит также от схемы их соединения и вида КЗ. Поэтому нагрузка должна определяться для наиболее загруженного ТТ с учетом схемы соединения и для такого вида КЗ, при котором получаются наихудшие результаты.

Расчетные формулы для наиболее распространенных схем соединения вторичных обмоток ТТ и при различных видах КЗ приведены в табл. 1.

Таблица 1. - Расчет нагрузки в зависимости от схемы соединения ТТ

Примечания: 1. В формулы по пп. 1–4 должно подставляться наибольшее значение (для наиболее загруженной фазы).

2. Величина во всех случаях принимается равна 0.1Ом.