6.2.8. Последовательное и параллельное соединение трансформаторов тока

Первая схема (рис. 6.13,а) применяется при использовании маломощных трансформаторов тока. Нагрузка, подключенная к трансформаторам тока, распределяется поровну. Вторичный ток I2 = I1/nТ остается неизменным, а напряжение, приходящееся на каждый трансформатор тока составляет I2 ∙ (ZН/2). Схема параллельного соединения трансформаторов тока (рис. 6.13,б) используется для получения нестандартных коэффициентов трансформации nТ.СХ = nТ/2.

Рис. 6.13. Последовательное и параллельное соединение трансформаторов тока

6.2.9. Датчики фазного тока

Устройства защиты, измерения и автоматики необходимо обеспечить данными об электрических величинах защищаемого оборудования. В силу причин технического, экономического характера и из соображений безопасности эта информация не может быть получена непосредственно с оборудования высокого напряжения. Необходимо использовать промежуточные устройства, называемые масштабными измерительными преобразователями или датчиками, а именно:

– трансформаторы фазного тока;

– трансформатор тока (датчики-торы) нулевой последовательности;

– датчики фазного тока;

– трансформаторы напряжения.

Эти устройства выполняют следующие функции:

– уменьшение измеряемой величины до определенных параметров – 1 или 5 А и 100 В;

– гальваническую развязку;

– подачу энергии, необходимой для обработки информации и для срабатывания защиты.

Основным недостатком трансформаторов тока является их громоздкая конструкция, обусловленная необходимостью обеспечения изоляции первичной обмотки относительно магнитопровода с размещенной на нём вторичной обмоткой. И чем выше напряжение электрической сети, тем сильнее чувствуется этот недостаток.

Проведем сопоставление схем включения и работы трансформатора тока и датчика тока. Обычный трансформатор тока ТА (рис. 6.14,а), во-первых, выполняет гальваническую развязку первичных и вторичных цепей, во-вторых, подает вторичный ток непосредственно в устройство защиты А – на измерительный орган ИО. В нормальном режиме работы сети вторичный ток не превышает своего номинального значения 1 или 5 А, а при протекании по первичным цепям токов КЗ достигает соответственно до 10–50 и даже 100 А. Следовательно, входные цепи устройства защиты должны быть рассчитаны на значительные токи. Такие схемы использовались в устройствах защиты, выполняемых на электромеханических или статических реле.

Рис. 6.14. Схема подключения устройства защиты к трансформатору тока (а), датчику тока типа (б)

Появление микропроцессорных защит и устройств автоматики изменили требования к входным токовым цепям – вместо значительных токов на вход стали подавать напряжение, измеряемое милливольтами (мВ).

Одним из вариантов получения напряжения является схема, в которой вторичная обмотка трансформатора тока нагружена на малое сопротивление R (рис. 6.14,б), а на вход устройства защиты А подается напряжением U_S, измеряемым десятками милливольт.

Другим видом подобных преоб­разователей является катушка Роговского. Предложенное в 1912 г. устройство – воздуш­ный трансформатор тока, в тече­ние 80 лет был мало известен и практически использовался лишь для измерений, например, маг­нитных полей. В конце 20-го столетия с раз­витием микропроцессорных уст­ройств релейной защиты и автоматики оказалось, что именно для таких устройств катушка Ро­говского является наиболее под­ходящим преобразователем пер­вичного тока во вторичный сигнал.

Катушка Роговского – это тороидальная катушка, расположенная вокруг первичного провода тем же самым способом, как и вторичная обмотка в обычном трансформаторе тока, но без железного сердечника. Катушка Роговского состоит из обмотки W₂, намотанной на немагнитный сердечник C с магнитной проницаемостью μ_О = 1. Катушка размещается вокруг проводника П, по которому протекает ток I₁, который нужно измерить (рис. 6.15,а). Выходным сигналом из катушки Роговского, в отличие от стандартного трансформатора тока, является не ток, а напряжение, которое пропорционально скорости изменения измеряемого тока

.

(6.19)

В этой формуле М – взаимная индуктивность; μ_О – магнитная проницаемость воздуха; n – число витков обмотки; S – площадь поперечного сечения сердечника.

Сравнивая катушку Роговско­го с электромагнитным ТТ, необ­ходимо отме­тить, что из-за отсутствия в ней желез­ного магнитопровода невозможны: опасное насыщение магнитопро­вода, искажение формы вторич­ного тока и возникновение боль­ших погрешностей измерения, что особенно важно при больших кратностях тока КЗ.

Катушка Роговского не может выдавать мощ­ный сигнал на выходе, который необходим для работы электро­механических реле и электромаг­нитов отключения выключате­лей, однако для работы микропроцессорных устройств защиты и автоматики он достаточен.

Практи­ческое применение катушки Ро­говского началось одновременно во всех крупных релестроительных фирмах Европы и США в 1995-1997 гг. Компания Schneider Electric также использует для работы своих устройств защиты и автоматики датчики тока низкой мощности типа LPCT [5] – это специальные датчики тока с прямым выходом в виде напряжения типа «Low power current transducers», соответствующие стандарту МЭК 60044–8.

Рис. 6.15. Катушка Роговского (а), её схема замещения (б) и характеристики класса точности датчика тока LPCT (в)

Датчики тока имеют следующие характеристики в соответствии со стандартом МЭК 60044–8 (рис. 6.15,в):

– номинальный ток первичной обмотки, например I_РN = 100 А;

– номинальное напряжение вторичной обмотки U_SN = 22,5 мВ при 100 А;

– максимальный номинальный ток первичной обмотки (соответственно I_РЕ = 1250 А);

– класс точности измерений 0,5:

• 1,5 % при 5 А;

• 0,75% при 20 А;

• 0,5% при 100–1250 А;

– класс точности защиты 5 % при 1,25–40 кА.

Датчики типа LPCT имеют линейные характеристики в широком диапазоне значений тока, и насыщение датчиков происходит только при значениях тока, превышающих ток отключения.