Измерительные преобразователи тока и напряжения

Рис.6. Одновитковый трансформатор тока ТПОЛ-10, U_ном = 10 кВ: 1- магнитопроводы; 2 — вторичная обмотка; 3 — крепежное кольцо; 4 — стержень

является  трансформатор ТПОЛ-10 с литой  изоляцией, представленный на рис. 6

Этот трансформатор используется как проходной изолятор при переходе из одного помещения в другое.

Применение литой эпоксидной изоляции позволяет сильно упростить конструкцию и технологию производства. Первичная обмотка — стержень 4, магнитопроводы 1 и крепежное кольцо 3 располагаются в специальной форме, после чего туда заливается жидкая масса из эпоксидной смолы, пылевидного кварцевого песка отвердителя. После затвердения и полимеризации изоляционный материал приобретает высокие электрические и механические свойства. Магнитопровод 1 трансформатора, выполненный в виде тора, изготовляется из ленты, свернутой по спирали. На тор навивается вторичная обмотка 2. Применение тороидального сердечника позволяет полностью использовать высокие свойства текстурованного материала, например стали марки Э310. Если вторичная обмотка равномерно расположена на магнитопроводе, индуктивное сопротивление вторичной обмотки равно нулю, что позволяет повысить точность трансформатора тока. Конструкция позволяет легко установить несколько магнитопроводов, каждый из которых имеет различные параметры. Главным достоинством одновиткового исполнения является его высокая электродинамическая стойкость, так как на первичную обмотку действуют силы только от подводящих шин и соседних фаз.

При выборе трансформатора тока необходимо учитывать, что его реальной нагрузкой являются не только обмотки приборов и но и сопротивления соединительных проводов.

Измерительные трансформаторы напряжения. Они служат для

преобразования  высокого напряжения в низкое напряжение стандартной величины, удобное для измерения. Обычно за номинальное вторичное напряжение принято 100 В или 100 В. Это позволяет для измерения любого напряжения применять одни и те же стандартные измерительные приборы. Реле защиты, реагирующие на напряжение, также изготовляются на стандартное напряжение независимо от напряжения установки.

Первичная обмотка  трансформатора изолируется от вторичной соответственно классу напряжения установки. Для безопасности обслуживания один вывод вторичной обмотки обязательно заземляется. Таким образом, трансформатор напряжения изолирует измерительные приборы и реле от цепи высокого напряжения и делает безопасным их обслуживание.

Схема включения  однофазного трансформатора напряжения дана на рис. 7. Первичная обмотка 1 присоединена к цепи высокого напряжения через предохранители 3. Вторичная обмотка 2 питает нагрузку в виде обмоток измерительных приборов или реле защиты через предохранители 4. В трансформаторах напряжения нормальной конструкции заземляются и вторичная обмотка 2, и сердечник 5.

Предохранители 4 служат для защиты трансформатора напряжения от коротких замыканий в цепи вторичной нагрузки. Предохранители 3, установленные на высоковольтной стороне, служат для защиты сети от короткого замыкания в трансформаторе. Для облегчения отключения желательна установка токоограничивающих предохранителей типа ПКТ или стреляющих, с ограничивающим сопротивлением.

Вследствие  высокого сопротивления самого трансформатора при возникновении короткого замыкания во вторичной цепи ток в первичной цепи мал (порядка нескольких ампер) и его величина недостаточна для срабатывания предохранителей 3.

 

Рис. 7. Схема включения однофазного

трансформатора  напряжения: 1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка; 3, 4 — предохранители; 5 — сердечник ■

Основными параметрами  трансформатора напряжения являются:

номинальное напряжение обмоток -напряжение на первичной и вторичной обмотках, указанное на щитке трансформатора. Номинальное напряжение трансформатора равно номинальному напряжению первичной обмотки;

номинальный коэффициент трансформации — отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторичному напряжению:

погрешность по напряжению, %, которая определяется уравнением:

 

где U₁ — напряжение, поданное на первичную обмотку; U₂ — напряжение, измеренное на зажимах вторичной обмотки.

Если U₁/ U₂ = k_ном то погрешность всегда будет равна нулю.

За угловую погрешность принимается угол в минутах между первичным напряжением и повернутым на 180° вторичным. Если вторичное напряжение U₂ опережает первичное напряжение U₁ погрешность по углу считается положительной. Допустимая погрешность трансформатора по напряжению в процентах при номинальных условиях численно равна классу точности.

Погрешности трансформатора не должны превышать  табличные данные при колебании первичного напряжения в пределах 90... 110% и при колебании мощности на вторичных зажимах в пределах 25... 100 % от номинальных значений;

а вторичная  мощность Р₂ соответственно:

номинальная вторичная нагрузка — ток во вторичной обмотке I₂ определяется сопротивлением нагрузки:

При уменьшении сопротивления Z₂ мощность, отдаваемая трансформатором напряжения, увеличивается и соответственно увеличивается погрешность;

номинальная мощность трансформатора — наибольшая мощность (при номинальном коэффициенте мощности, равном 0,8), которая может быть снята с трансформатора при условии, что его погрешность не выйдет за пределы, определенные классом точности.

Для того чтобы  уменьшить погрешность по напряжению, снижают активное и реактивное сопротивления обмоток. Для получения малого активного сопротивления берутся малые плотности токов в обмотках (около 0,3 А/мм²), благодаря чему эти трансформаторы слабо нагружены в тепловом отношении. Для снижения индуктивного сопротивления обмоток уменьшают расстояние между первичной и вторичной обмотками.

Компенсацию погрешности по напряжению легко  получить путем уменьшения числа витков первичной обмотки. Если уменьшить число витков первичной обмотки, то коэффициент трансформации становится меньше номинального и вторичное напряжение возрастает. При этом вводится положительная погрешность, которая компенсирует отрицательную. Обычно вводится такая коррекция, чтобы при холостом ходе трансформатор имел максимально допустимую для данного класса точности положительную погрешность.

На погрешность  трансформатора влияет коэффициент  мощности нагрузки cosj₂ и с его уменьшением погрешность увеличивается. Причем характер нагрузки оказывает большее влияние на угловую погрешность, чем на погрешность по напряжению.

На угловую  погрешность витковая поправка не влияет. Угловую погрешность в трехфазных трансформаторах напряжения можно компенсировать. В этом случае необходимая компенсация достигается путем применения специальных компенсирующих обмоток. При активной нагрузке вносится положительная поправка. При индуктивной нагрузке применяется другая схема соединений, которая дает отрицательную поправку.

При напряжении до 35 кВ конструкция  трансформаторов напряжения сходна с конструкцией силовых трансформаторов.

Индукция в сердечниках  значительно меньше, чем у силовых трансформаторов. Это снижает погрешность, позволяет в некоторых случаях проводить испытания индуцированным напряжением.

Для испытания  трансформатора на выводы вторичной  обмотки подается удвоенное напряжение частотой 50 Гц. На первичной обмотке появляется также удвоенное напряжение. Индукция не должна превышать индукцию насыщения.

При эксплуатации возможны случаи, когда первичная обмотка, рассчитанная на работу при фазном напряжении, попадает под линейное напряжение вместо фазного. При этом сердечник не должен насыщаться.

На напряжение до 35 кВ выпускаются однофазные трансформаторы, у которых либо оба вывода обмотки высокого напряжения изолированы от корпуса (рис. 8, а), либо изолирован только один, а второй вывод заземлен.

Применение  в качестве изоляции пластмасс и  отказ от масляной изоляции позволяет  сократить массу и габаритные размеры трансформаторов, упрощается их эксплуатация, делается ненужным уход за маслом. Трансформаторы с литой изоляцией пожаробезопасны, удобны для эксплуатации в различных передвижных установках.

Рис. 8. Внешний вид однофазных трансформаторов напряжения с масляной изоляцией (а) и литой изоляцией (б)

На рис. 8,б представлен трансформатор напряжения с литой изоляцией типа НОК-6 на те же параметры, что и масляный. Отечественная промышленность выпускает трансформаторы с литой изоляцией на напряжение до 35 кВ.

Габаритные размеры трансформаторов в значительной степени определяются изоляцией аппарата. В связи с этим там, где это возможно, трансформатор выполняется для измерения напряжения между фазой и землей. В этом случае отпадает необходимость в изоляции второго вывода первичной обмотки, который заземляется, линейное напряжение получается путем соединения в звезду вторичных обмоток таких трансформаторов. При этом, однако, погрешность измерения возрастает, так как суммируются погрешности двух трансформаторов. Такая конструкция позволяет уменьшить габаритные размеры и удешевить трансформатор напряжения.

Рис. 9. Схемы включения трансформаторов напряжения в трехфазных сетях с использованием двух (а) и трех (б) однофазных трансформаторов.

 

Возможные схемы включения однофазных трансформаторов нормального исполнения в трехфазных сетях показаны на рис. 9.

В случае, представленном на рис. 9, а, применяются два однофазных трансформатора, у которых первичная обмотка имеет изолированные выводы. Эта схема называется схемой открытого треугольника. Такая схема очень удобна для измерения мощности и энергии. В этой схеме к каждому из трансформаторов может подключаться нагрузка вплоть до номинальной.

Схема позволяет получить и напряжение U_AC = -(U_AB + U_BC) (приборы подключаются между точками а и с). Однако такое включение нагрузки не рекомендуется, так как создаются дополнительные погрешности за счет тока приборов, проходящего через обе вторичные обмотки.

При включении по схеме, представленной на рис. 9,б, могут применяться трансформаторы, у которых один из выводов первичной обмотки заземлен. Каждая из обмоток подключена к фазному напряжению, поэтому номинальное напряжение трансформатора должно равняться U_ф/ . Вторичная нагрузка подключается по схеме звезды или треугольника. Номинальное напряжение вторичной обмотки равно 100/

Для контроля изоляции и питания защиты, срабатывающей при коротком замыкании на землю, трансформаторы имеют дополнительные обмотки, которые включаются по схеме разомкнутого треугольника. При симметричном режиме сумма ЭДС, наводимых в этих обмотках, равна нулю. Если один из проводов заземляется, то равновесие ЭДС нарушается и напряжение на концах разомкнутого треугольника подается на реле или сигнализацию.

Возможны  два режима работы схемы, представленной на рис.9, б. Если нейтраль сети изолирована или заземлена через дугогасящую катушку, то заземление одной из фаз, например фазы С, не ведет к короткому замыканию. Установка может оставаться длительное время в работе. При этом напряжение на трансформаторе С падает до нуля, а напряжение на трансформаторах А я В увеличивается до линейного. В связи с этим индукция в сердечниках трансформаторов А и В увеличивается в раз. Во избежание увеличения нагрева сердечников и резкого возрастания погрешности этих трансформаторов сердечники не должны насыщаться при таком увеличении индукции.

В установках с заземленной нейтралью заземление одной из фаз вызывает короткое замыкание. Релейная защита быстро отключает поврежденный участок. Напряжение на «здоровых» фазах при коротком замыкании не поднимается выше (1,2... 1,3)U _ф.

Уменьшение  габаритных размеров и снижение стоимости транс форматоров напряжения может быть достигнуто путем объединения

Рис. 10. Трансформатор постоянного тока

трех отдельных измерительных  трансформаторов в один трехфазный трансформатор. Применяются трехстержневые и пятистержневые магнитопроводы.

Трехфазные  трехстержневые трансформаторы делаются с изолированной нулевой точкой на стороне высокого напряжения. Это объясняется тем, что при работе в сетях с изолированной нейтралью возникает аварийный режим работы трансформатора при заземлении одной фазы сети, если нулевая точка в трансформаторе заземлена.

Измерительный трансформатор постоянного тока. Схема трансформатора постоянного тока приведена на рис. 10.

Две обмотки, питаемые переменным током, включены навстречу  одна к другой. Управляющая обмотка на схеме показана в виде проводника, проходящего через оба сердечника. Постоянный ток определяется напряжением и параметрами цепи и почти не зависит от состояния сердечников.

Цепь постоянного  тока обычно обладает большим полным сопротивлением для переменного тока, и поэтому прибор работает в режиме подавленной второй гармоники. Если подводимое переменное напряжение U_~ ниже величины, необходимой для насыщения, то при наличии постоянного тока I₌ в управляющей обмотке в течение одного полупериода насыщается один сердечник, а в течение следующего полупериода — другой сердечник. Поэтому всегда один из сердечников остается ненасыщенным и к этому сердечнику можно применить правило ампер-витков, выраженное уравнением

Поскольку управляющий  ток не меняется, то и выходной ток течение полупериода остается постоянным. В следующий полупериод, когда управление осуществляется вторым сердечником, о лишь меняет свое направление.