Трансформаторы тока и напряжения

Для удобства измерения тока в установках высокого напряжения и для изоляции измерительных приборов и устройств релейной защиты от высокого напряжения служат трансформаторы тока (ТТ). ТТ имеет замкнутый магнитопровод с двумя обмотками. Через первичную обмотку пропускается измеряемый ток, вторичная подключается к измерительным приборам или реле. Первичная обмотка изолирована от вторичной в соответствии с классом изоляции аппарата. Один вывод вторичной обмотки обязательно заземляется.

Основными параметрами ТТ являются:

Номинальное напряжение - это линейное напряжение энергосистемы, в которой ТТ должен работать, которое определяет изоляцию между первичной обмоткой, находящейся под высоким потенциалом, и вторичной обмоткой, один конец которой заземляется.

Номинальный первичный и вторичный токи - это длительные токи, которые аппарат может пропускать. ТТ обычно имеют запас по нагреву и позволяют длительно пропускать токи, которые примерно на 20 % выше номинального значения. Номинальный вторичный ток ТТ равен 1 или 5 А.

Номинальный коэффициент трансформации - это отношение номинальных значений первичного и вторичного токов:

. (21.1)

Действительный коэффициент трансформации не равен номинальному вследствие погрешности, вызываемой потерями в трансформаторе. Различают токовую погрешность и угловую.

Токовая погрешность в процентах определяется выражением:

(21.2)

где - вторичный ток; - первичный приведенный ток.

В соответствии с ГОСТ 7746-78 приняты следующие условные положительные направления токов: первичного тока - ток втекает в начало первичной обмотки, вторичного - ток вытекает из начала вторичной обмотки. Обе обмотки намотаны в одну сторону. При таком положительном направлении токов в ТТ без погрешностей векторы вторичного и первичного токов совпадают по фазе. В реальном ТТ между векторами и существует угол, который называется угловой погрешностью и измеряется в минутах. Если вторичный ток опережает первичный, то погрешность по углу положительная. Угловую погрешность необходимо учитывать при измерении активной мощности цепи ( - угол сдвига между током и напряжением), а также при измерениях энергии и в ряде релейных защит, работа которых зависит от угла .

Класс точности трансформатора определяется его погрешностью по току (в процентах) при первичном токе, равном

В зависимости от погрешности по ГОСТ 7746- 78 различают классы точности 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10.

Наряду с токовой и угловой погрешностью ГОСТ 7746-78 предусмотрена полная погрешность ε, %, которая характеризует относительный намагничивающий ток:

(21.3)

где - действующее значение первичного тока;

- мгновенное значение вторичного тока;

- мгновенное значение первичного тока;

Т - период частоты переменного тока (0,02 с).

Номинальная нагрузка ТТ – это сопротивление нагрузки при котором он работает с заданным классом точности при номинальном значении Иногда применяется понятие номинальной мощности ТТ:

. (21.4)

Поскольку значение тока стандартизовано, то номинальное сопротивление нагрузки однозначно определяет номинальную мощность трансформатора.

Номинальная предельная кратность первичного тока по отношению к его номинальному значению, при которой полная погрешность достигает 5 или 10 %. Соответственно ТТ имеют класс точности 5Р и 10Р, при этом нагрузка и ее коэффициент мощности должны быть номинальными.

Максимальная кратность вторичного тока - это отношение наибольшего вторичного тока к его номинальному значению при номинальной вторичной нагрузке. Максимальная кратность вторичного тока определяется насыщением магнитопровода, когда дальнейшее возрастание первичного тока не ведет к возрастанию потока.

В аварийном режиме ТТ обтекаются током КЗ и их обмотки подвергаются воздействию больших токов.

Динамическая стойкость ТТ (кратность) – определяется отношением допустимого тока ударного КЗ к амплитуде номинального первичного тока.

Термическая стойкость ТТ (кратность) - задается отношением допустимого в течение 1 с тока КЗ к номинальному значению первичного тока.

Так как ток первичной обмотки задается сетью, то большим термическим и динамическим воздействиям подвергается первичная обмотка. Вторичный ток часто ограничивается насыщением магнитопровода, и поэтому вторичная обмотка работает в облегченных условиях.

Различают одно- и многовитковые трансформаторы тока. В одновитковом ТТ первичная обмотка может быть выполнена в виде стержня, шины или пакета шин. Примером такого исполнения является трансформатор типа ТПOЛ-I0 с номинальным напряжением 10 кВ (рис. 21.1), который используется, как проходной изолятор при переходе линии из одного помещения в другое.

Первичная обмотка-стержень 4, магнитопроводы 1, крепежное кольцо 3 устанавливаются в специальную форму и заливаются жидкой смесью эпоксидной смолы, пылевидного кварцевого песка и отвердителя. После затвердения и полимеризации эта смесь приобретает высокие электрические и механические свойства.

Магнитопроводы трансформатора выполняются в виде двух тороидальных сердечников 1, навитых лентой из текстурованного материала, например марки 3413. Если вторичная обмотка 2 равномерно распределена на тороидальном магнитопроводе, то ее индуктивное сопротивление X₂ схеме замещения равно нулю, что позволяет снизить погрешность измерения ТТ. Конструкция допускает установку нескольких ТТ с разными параметрами на одной стержневой первичной обмотке.

Рис. 21.1. Oднoвиткoвый ТТ типа ТПOЛ-10

Oдновитковые ТТ могут быть встроенными. В этом случае используются токоведущий стержень и изолятор другого аппарата или оборудования (выключателя, силового изолятора, проходного изолятора и др.).

Применение встроенных ТТ дает большой экономический эффект. На проходном изоляторе встроенных ТТ, как правило, устанавливается несколько ТТ, вторичные обмотки которых можно соединять последовательно или параллельно. При последовательном соединении вторичных обмоток коэффициент трансформации не изменяется, так как удваивается число первичных и вторичных витков.

Вторичный ток сохраняется неизменным, а вторичная ЭДС удваивается, что позволяет увеличить в 2 раза вторичную мощность. Для встроенных ТТ это очень важно, так как они удалены от реле и измерительных приборов, благодаря чему сопротивление соединяющих проводов получается большим. При параллельном соединении вторичных обмоток коэффициент трансформации уменьшается, так как первичные обмотки включаются последовательно. При этом вторичный ток двух ТТ увеличивается. Это даёт возможность получить вторичный ток, приближающийся к стандартному значению 5 А, например при первичном токе

Вторичные обмотки имеют отводы, которые позволяют в небольшом диапазоне регулировать коэффициент трансформации.

При малых первичных токах (ниже 400 А) для получения высокого класса точности применяются многовитковые ТТ. При любом значении первичного тока необходимая для данного класса точности первичная МДС получается за счет увеличения числа витков первичной обмотки W₁. На рис. 21.2 показан многовитковый трансформатор тока на напряжение 10 кВ.

Рис. 21.2. Мнoгoвиткoвый ТТ

На прямоугольном шихтованном магнитопроводе 1 расположена вторичная обмотка 2. Первичная обмотка 3 выполняется из медной шины. Первичная обмотка выведена на контакты 5, вторичная - на контакты 6. Все детали ТТ залиты эпоксидным компаундом 4.

При КЗ на витки первичной обмотки действуют разрывающие электродинамические силы, что снижает стойкость ТТ. Кроме того, на первичной обмотке из-за ее относительно большой индуктивности может появиться значительное падение напряжения. Это является недостатком данной конструкции ТТ.

При напряжении 35 кВ и выше для открытых установок применяются ТТ с масляной изоляцией. Наиболее распространены ТТ так называемого звеньевого типа (рис. 21.3). Три тороидальных магнитопровода 1 со вторичными обмотками 2 охвачены первичной обмоткой 4, выполняемой мягким многожильным проводом, которая обычно имеет несколько параллельных ветвей (на рис. 21.3 две ветви).

При переходе с параллельного соединения на последовательное первичный номинальный ток трансформатора уменьшается в 2 раза.

Первичная и вторичная обмотки изолируются кабельной бумагой 5 толщиной 0,12 мм. После наложения изоляции магнитопровод с обмотками крепится к основанию ТТ с помощью лап 3.

К этому же основанию крепится фарфоровый кожух, который защищает обмотки от воздействия окружающей среды. Внутренняя полость ТТ после вакуумной сушки заполняется трансформаторным маслом. Масло пропитывает кабельную бумагу и заполняет все пустоты. Такие ТТ выполняются на напряжение до 220 кВ. Общий вид ТТ типа ТФН-35 на напряжение 35 кВ представлен на рис. 21.4.

Рис. 21.3. ТТ звеньевого типа

На рис. 21.4: 1 - вывод ветвей первичной обмотки; 2- вывод первичной обмотки; 3 – магнитопровод; 4 - вторичная обмотка; 5 - изоляция из кабельной бумаги; 6 – фарфоровая покрышка; 7 - трансформаторное масло.

При напряжении свыше 220 кВ применяют каскадные ТТ. На рис. 21.5,б показан двухступенчатый каскадный ТТ на напряжение 500 кВ. Схема включения его обмоток показана на рис. 21.5,а.

Общая компоновка ТТ показана на рис. 21.5,б. Каждая ступень представляет собой ТТ на напряжение аналогичный показанному на рис. 21.3. Вторичная обмотка первой ступени питает первичную обмотку второй ступени. При перевозке каждая ступень, залитая маслом, доставляется к месту установки отдельно. Стоимость двухступенчатого трансформатора примерно в 2 раза меньше, чем одноступенчатого. Недостатком каскадного ТТ является увеличение погрешности из-за увеличения сопротивления обмоток.

Рис. 21.4. Трансформатор тока типа ТФН – 35

Трансформаторы напряжения (ТН) служат для преобразования высокого напряжения в низкое стандартное напряжение, удобное для измерения. Обычно за номинальное вторичное напряжение принимается напряжение или

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

б

а

Рис. 21.5. Двухступенчатый каскадный ТТ:

а - принципиальная схема; б - общая компоновка;

W₁ - первичная обмотка верхней ступени;

W₂ - вторичная обмотка верхней ступени;

W₃ - первичная обмотка нижней ступени;

W₄, W₅ - вторичные обмотки нижней ступени;

- нагрузка ТТ

Схема включения однофазного ТН показана на рис. 21.6.

Первичная обмотка присоединена к цепи высокого напряжения через предохранители FU1, FU2. Вторичная обмотка питает нагрузку в виде обмоток измерительных приборов или реле защиты через предохранители FU3, FU4. В нормальной конструкции заземляются и вторичная обмотка , и магнитопровод.

Предохранители FU3, FU4 служат для защиты ТН от КЗ в цепи нагрузки.

Рис. 21.6. Схема включения однофазного ТН

Предохранители FU1, FU2 на высоковольтной стороне служат для защиты сети от КЗ в ТН. Целесообразно применение токоограничивающих предохранителей типа ПКТ или стреляющих с ограничивающим резистором. Вследствие высокого сопротивления обмоток самого ТН при КЗ во вторичной цепи ток в первичной цепи мал (порядка нескольких ампер) и недостаточен для срабатывания предохранителей FU1, FU2. Этим объясняется установка предохранителей FU3, FU4 во вторичной цепи. Основными параметрами ТН являются:

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

- номинальный коэффициент трансформации - это отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторичному:

; (21.5)

- погрешность по напряжению, %, определяется уравнением

(21.6)

где - напряжение, поданное на первичную обмотку; - напряжение, измеренное на выводax вторичной обмотки.

При погрешность

Погрешности ТН не должны превышать значений, предусмотренных классом точности при колебании напряжения в пределах и колебаний мощности вторичной цепи в пределах от номинальной.

- номинальная вторичная нагрузка. ТН включаются (рис. 21.6) так же, как силовые трансформаторы. Ток вторичной обмотки определяется сопротивлением нагрузки:

, (21.7)

а вторичная мощность

. (21.8)

При уменьшении сопротивления вторичная мощность увеличивается. Вторичная нагрузка кроме модуля характеризуется также коэффициентом мощности ;

- номинальная мощность ТН представляет собой наибольшее значение вторичной мощности при при которой погрешность ТН не выходит за пределы, oопределенные классом точности. Требования к ТН определяются ГОСТ 1983-77.

Погрешность ТН обусловлена наличием aктивных и peaктивных сопротивлений обмоток и тока холостого хода. Схема замещения ТН дана на рис. 21.7, а векторная диаграмма - на рис. 21.8.

Рис. 21.7. Схема замещения ТН

Рис. 21.8. Векторная диаграмма ТН

Все вeличины пpиведены к первичной обмотке. Поток Ф создает вторичную ЭДС , отстающую от него на 90°. Под действием этой ЭДС во вторичной цепи возникают напряжение и ток , проходящий по сопротивлению нагрузки , который создает падения напряжения на сопротивлениях вторичной обмотки . При выбранных положительных направлениях ток отстает от ЭДС .

Намагничивающий ток (ток холостого хода) на угол потерь опережает поток Ф. В первичной обмотке создается падение напряжения .

Но так как

тогда

Согласно рис. 21.7 можно написать:

уравнение равновесия получается:

(21.5)

Катеты треугольника АВС пропорциональны падениям напряжения от тока холостого хода , катеты треугольника CDЕ - падениям напряжения от тока нагрузки .

При отсутствии погрешности или и точки А и Е должны совпасть.

Погрешность ТН по напряжению определяется:

Поскольку угол между и мал, то вместо арифметической разности модулей этих векторов можно взять проекцию вектора АЕ на ось . Таким образом, погрешность определяется отрезком AF .

Вышеприведенное уравнение показывает, что погрешность состоит из двух частей. Первая определяется током холостого хода, вторая - током нагрузки. Для того чтобы уменьшить погрешность по напряжению, снижают активное и реактивное сопротивления обмоток. Уменьшение активного сопротивления достигается малой плотностью токов в обмотках (около 0,3 А/мм²), что облегчает тепловой режим ТН.

На погрешность влияет коэффициент мощности нагрузки . С уменьшением погрешность увеличивается.

Погрешность по напряжению можно компенсировать путем уменьшения числа витков первичной обмотки. При этом коэффициент трансформации становится меньше номинального, вторичное напряжение возрастает, вводится положительная погрешность, которая компенсирует отрицательную. Обычно вводится такая коррекция, что при холостом ходе трансформатор имеет максимально допустимую для данного класса точности положительную погрешность.

На угловую погрешность витковая коррекция не влияет.

В трехфазных ТН угловую погрешность можно компенсировать с помощью специальных компенсирующих обмоток. При активной нагрузке вносится положительная коррекция. При индуктивной нагрузке применяется схема соединения, создающая отрицательную коррекцию.

Номинальное напряжение первичной обмотки ТН должно соответствовать номинальному напряжению сети, в которую он включается. Если ТН включается между фазой и землей - то номинальному фазному напряжению. Номинальное вторичное напряжение ТН должно соответствовать номинальному напряжению нагрузки. Нагрузка должна быть равномерно распределена по фазам ТН. Суммарная нагрузка на фазу ТН должна быть меньше допустимой при заданном классе точности и коэффициенте мощности.

Сечение проводников, соединяющих ТН с нагрузкой, должно быть таким, чтобы падение напряжения на них составляло доли процента номинального вторичного напряжения.

Лекция № 22