ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И ИХ ПОГРЕШНОСТИ

Принцип действия.Трансформаторы тока (ТТ) являются вспомогательными элементами, с помощью которых ИО РЗ получают информацию о значении, фазе и частоте тока защищаемого объекта. От достоверности получаемой информации зависит правильность действия устройств РЗ. Поэтому основным требованием к ТТ, питающим устройства РЗ, является точность трансформации контролируемого тока с погрешностями, не превышающими допустимых значений. Принцип устройства ТТ поясняют схемы, приведенные на рис.3.1. Заметим, что один из вторичных зажимов ТТ должен обязательно заземляться по условиям техники безопасности.

Трансформатор тока (рис.3.1, а) состоит из первичной обмотки w₁, включаемой последовательно в цепь контролируемого тока, вторичной обмотки w₂, замкнутой на сопротивление нагрузки Z_н, состоящее из последовательно включенных элементов РЗ или измерительных приборов, и стального магнитопровода 1, с помощью которого осуществляется магнитная связь между обмотками. Первичный ток I₁ проходящий по виткам первичной обмотки w_l, и ток I₂,индуцированный во вторичной обмотке w₂, создают магнитодвижущие силы (МДС) I₁w_l и I₂w₂, которые вызывают соответственно магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, замыкающиеся по стальному магнитопроводу 1. Намагничивающие силы и создаваемые ими магнитные потоки с учетом их положительных направлений, показанных на рис.3.1, геометрически вычитаются, образуя результирующую МДС I_намw₁ и результирующий магнитный поток трансформатора Ф_т [41]:

(3.1)

(3.1а)

Поток Ф_т, называемый рабочим или основным, пронизывает обе обмотки и наводит во вторичной обмотке ЭДС Е₂, которая создает в замкнутой цепи вторичной обмотки ток I₂. Поток Ф_т создается МДС I_намw₁ и, следовательно, током I_нам. Последний является частью тока I₁и называется намагничивающим током. Если I_нам = 0, выражение (3.1) примет вид

I_lw_l = I₂w₂,

откуда

(3.2)

где – коэффициент трансформации, называемый витковым, в отличие от номинального¹. При отсутствии намагничивающего тока вторичный ток I₂(расчетный ток) равен первичному току I₁поделенному на коэффициент трансформации ТТ, равный К_Iв. В этом случае первичный ток полностью трансформируется во вторичную обмотку w₂, и ТТ работает идеально без потерь и погрешностей.

Обозначение выводов обмоток трансформаторов тока.При изготовлении ТТ выводы первичной и вторичной обмоток условно обозначаются (маркируются) так, чтобы при помощи этих обозначений можно было определять направление вторичного тока по направлению первичного. Выводы первичной обмотки могут обозначаться произвольно: один принимается за начало Н, авторой – за конец обмотки К (рис.3.2, а). Маркировка же выводов вторичной обмотки выполняется по следующему правилу. При прохождении тока в первичной обмотке от начала Н к концу К за начало вторичной обмотки Н принимается тот ее вывод, из которого в этот момент ток вытекает в цепь нагрузки (рис.3.2, а). Соответственно второй вывод вторичной обмотки принимается за конец обмотки К. При обозначении выводов вторичной обмотки по указанному выше правилу ток в обмотке реле, включенного во вторичную цепь ТТ, имеет такое же направление, как и в случае включения реле непосредственно в первичную цепь (рис.3.2, а).
Заводы-изготовители обозначают начало и конец первичной обмотки трансформаторов Л₁ и Л₂, а начало и конец вторичной обмотки И₁ и И₂(рис.3.2, б, в).

На рис.3.2, г показана векторная диаграмма первичного и вторичного токов при принятых на рис.3.2, а их условных положительных направлениях.

На рис.3.2, д показано, как изменяется направление тока во вторичной обмотке и маркировка выводов вторичной обмотки при различном выполнении намотки вторичной обмотки. Направления потока Ф₁ и вторичного тока определяются по правилу буравчика.

Причины погрешности.В реальном ТТ I_нам ≠ 0, как это следует из (3.1). Ток I_HAM является обязательной частью первичного тока I₁, он образует МДС, создающую поток Ф, который и осуществляет трансформацию. Из выражения (3.1) вторичный ток реального ТТ

(3.3)

где k_I= w₂/w_l – витковый коэффициент трансформации.

Из выражения (3.3) следует, что действительный вторичный ток I₂ отличается от расчетного (идеального) значения I₁/k_I, определенного по формуле (3.2), на значение I_нам/k_I, которое вносит искажение в абсолютное значение и фазу вторичного тока. Таким образом, причиной, вызывающей погрешность в работе ТТ, является ток намагничивания I_нам

Векторная диаграмма и виды погрешностей ТТ. Искажающее влияние тока намагничивания на вторичный ток ТТ показано на векторной диаграмме рис.3.3, в основу которой положена схема замещения (см. рис.3.1, б).

В схеме замещения магнитная связь между первичной и вторичной обмотками ТТ заменена электрической, а все величины первичной стороны приведены к виткам вторичной обмотки: I'₁= I₁/K_Iи I'_нам= I_нам/k_I.

За исходный при построении диаграммы принят вектор вторичного тока I₂, а затем строятся векторы напряжения на выходе вторичной обмотки: U₂и Е₂.

Вектор вторичного напряжения U₂равен падению напряжения в сопротивлении нагрузки

Z_н = R_н+ jX_н,т. е. U₂= I₂(R_н+ jX_н). Он опережает I₂ на угол φ_н. Вектор вторичной ЭДС ТТ

¹ Под номинальным коэффициентом трансформации подразумевается отношение номинального первичного тока ТТ ко вторичному: . В заводских материалах дается номинальный коэффициент трансформации. При .

Е₂ равен геометрической сумме напряжения U₂и падения напряжения в сопротивлении вторичной обмотки Z₂= R₂ + jX₂, т. е. Е₂ = U₂ + I₂(R₂ + jX₂), или, выразив U₂как падение напряжения в Z_н, получим

(3.4)

ЭДС Е₂опережает I₂на угол α.

С учетом условно принятых положительных направлений токов и ЭДС в схеме замещения результирующий магнитный поток ТТ Ф_т показан отстающим от создаваемой им ЭДС Е₂на 90°. Намагничивающий ток ТТ I'_нам, создающий поток Ф_т, опережает последний на угол γ*, обусловленный активными потерями от нагрева стали сердечника ТТ. Приведенный первичный ток I'₁ находится как геометрическая сумма векторов вторичного тока I₂ и тока намагничивания I'_нам.

Векторная диаграмма наглядно показывает, что за счет тока I'_нам вторичный ток I₂ получается меньше приведенного первичного тока I'₁ = I₁/K_I на ΔI и сдвинут относительно него по фазе на угол δ.

При рассмотрении работы РЗ учитываются три вида погрешностей ТТ: токовая f_i, полная ε, угловая δ.

Токовая погрешность определяется величиной ΔI (отрезок AD на рис.3.3). Она равна арифметической разности I'₁ – I₂и показывает, насколько действительный ток I₂меньше расчетного тока I₂=I₁/K_I.

Угловая погрешность характеризуется углом δ, показывающим, насколько действительный ток I₂сдвинут по фазе относительно приведенного первичного тока I'₁(т. е. идеального вторичного тока I₂и реального первичного тока).

Полная погрешность ε определяется модулем (абсолютным значением) вектора I'_нам (отрезок АС на рис.3.3). Эта погрешность равна геометрической разности действующих значений векторов I'₁, приведенной ко вторичной стороне, и I_2Д: |I'_нам|=|I'₁– I_2д|.

Из рассмотрения треугольника ABC (рис.3.3) следует, что полная погрешность (ε = I_нам) определяет и характеризует как погрешность по току f_i = ΔI, так и погрешность по углу δ. Угол δ очень мал, поэтому можно считать, что ΔI равен отрезку АВ, а угол δ, измеряемый в радианах длиной дуги DC, приблизительно равен отрезку ВС.

Это означает, что ε > f_i. С увеличением α, зависящего от угла нагрузки φ_н (угла между током I₂и напряжением U₂), ΔI растет, а угол δ уменьшается. При α + γ = 90° вектор I₂совпадает по фазе с вектором ,и тогда погрешность по току ΔI достигает максимального значения. При этом f_i, будет равна ε, угловая же погрешность становится минимальной (δ = 0).

Погрешность по току ΔI (f_i,) и полная погрешность ε =|I_нам| выражаются в относительных единицах или процентах как отношение действующих значений этих погрешностей к действующему значению приведенного первичного тока.

Относительная токовая погрешность

(3.5)

Относительная полная погрешность

(3.6)

* Ток I'_нам имеет две составляющих: I'_{a нам}, которая определяет потери энергии на нагрев магнитопровода вихревыми токами, и I'_{р нам}, которая осуществляет намагничивание сердечника, т. е. создает поток Ф_т. Составляющая I'_{a нам} << I'_{р нам}, поэтому углом γ можно пренебречь и считать, что вектор I'_нам совпадает по фазе с Ф_т и равен I'_{р нам}.

Если вторичный ток несинусоидален, то ток намагничивания выражается как среднее квадратичное значение разности мгновенных значений реального и расчетного токов i₂:

Тогда

(3.7)

Здесь К_I – номинальный коэффициент трансформации ТТ.

Погрешность по углу выражается в градусах и минутах, она считается положительной, если I₂опережает I^’₁, как показано на рис.3.3. Относительные погрешности ε, , f_iи δ увеличиваются с увеличением тока намагничивания I_нам.