Схемы замещения и погрешности трансформаторов тока

Выражению (6.4) соответствует электрическая схема замещения трансформатора тока (рис. 6.2, а). Здесь ко вторичной обмотке приведены также сопротивления первичной обмотки Z'₁ и ветви намагничивания Z’_нам. Эта схема принципиально не отличается от схемы замещения, например, силового трансформатора. В отличие от него трансформатор тока питается от источника тока. Поэтому первичный ток I₁ и МДС I₁ω₁ не зависят от режима работы трансформатора тока (от значения сопротивления нагрузки Z_H).

Из схемы замещения видно, что сопротивление первичной обмотки Z₁' не влияет на распределение тока между ветвью намагничивания Z'_нам и ветвью нагрузки Z_H, поэтому из схемы, изображенной на рис. 6.2, б, в соответствии с которой построена векторная диаграмма (рис. 6.2, в), оно исключено.

За исходный при построении диаграммы принят ток намагничивания I'_нам. Магнитный поток Ф отстает от тока на некоторый угол γ, определяемый потерями в стали. Положительное направление ЭДС Е₂ принято совпадающим с положительным направлением тока I₂, т. е. от конца к началу вторичной обмотки. В связи с этим ЭДС Е₂, наводимая потоком Ф во вторичной обмотке, опережает его на угол π/2. В замкнутой вторичной обмотке проходит ток I₂, отстающий от ЭДС Е₂ на некоторый угол, определяемый соотношением составляющих R и jX сопротивлений Z₂ и Z_H.

По схеме замещения и выражению (6.4) определяют ток I₁'. Из векторной диаграммы видно, что вторичный ток I₂ отличается от приведенного первичного I₁' по значению на ΔI и по фазе на угол δ. Ток I'_нам значительно меньше тока I₁', поэтому результирующая МДС F_нам, определяющая рабочий магнитный поток Ф и ЭДС Е₂, во много раз меньше МДС первичной обмотки I₁ω₁. Очевидно, что чем меньше сопротивление нагрузки Z_н т. е. чем ближе режим цепи вторичной обмотки к режиму короткого замыкания, тем большая часть тока I₁' замыкается по цепи вторичной обмотки и тем точнее работает трансформатор тока.

По мере увеличения сопротивления нагрузки Z_H ток I₁' распределяется таким образом, что ток I₂ уменьшается, а ток I'_нам увеличивается, т. е. трансформатор тока начинает работать с большими погрешностями. В пределе, когда Z_н = ∞ (обмотка разомкнута), ток I₂ = 0, а I'_нам=I₁' и результирующая МДС резко возрастает. Она становится равной МДС первичной обмотки. Следствием этого является значительное увеличение магнитного потока Ф. При размыкании вторичной обмотки магнитопровод быстро насыщается, что обусловливает появление на разомкнутой обмотке трансформатора несинусоидальной ЭДС е₂, максимальные мгновенные значения которой могут достигать тысяч и даже десятков тысяч вольт, что представляет опасность для обслуживающего персонала и изоляции. Наряду с этим в связи с увеличением магнитного потока возрастают потери в стали и магнитопровод трансформатора недопустимо перегревается, что может привести к усиленному износу или даже повреждению изоляции трансформатора тока. Таким образом, нормальным режимом работы трансформатора тока является режим короткого замыкания вторичной цепи с малой МДС F_нам.

На точность работы трансформатора тока влияет не только нагрузка, но и значение первичного тока I₁. На рис. 1.2, г представлена зависимость вторичного тока I₂ от кратности первичного тока k=I₁/I_1ном для некоторой постоянной нагрузки Z_H. До точки перегиба (точка а) эта зависимость близка к прямолинейной. Дальнейшее увеличение первичного тока I₁ из-за насыщения магнитопровода трансформатора почти не приводит к росту вторичного тока, а ток намагничивания резко возрастает. Таким образом, точность трансформатора тока с ростом кратности k ухудшается. С увеличением нагрузки перегиб наступает при меньших кратностях тока. Точность работы трансформаторов тока характеризуют токовая, полная и угловая погрешности. Токовая погрешность ƒ_i определяется арифметической разностью между током I₂ и током I'₁ (рис. 6.2, в) ƒ_i= 100ΔI/I'₁, а угловая погрешность δ — углом сдвига между этими токами. Согласно ГОСТ 7746—78Е, точность работы трансформаторов тока, предназначенных для релейной защиты, характеризуется полной погрешностью ε. Она пропорциональна геометрической разности между током I₂ и током I'₁, т. е. току намагничивания I'_нам. Из векторной диаграммы (рис. 6.2, в) следует, что I'_нам>ΔI, поэтому ε>ƒ_i. Полная погрешность

, (6.5)

где i₁—действующее значение первичного тока, A; Т — длительность периода тока, с; K_I — номинальный коэффициент трансформации (отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току). Трансформаторы тока, используемые в релейной защите, имеют два класса точности: 5Р и 10Р. Полная погрешность первых не должна превышать ε = 5%, а вторых — ε = 10% при заданной вторичной нагрузке и расчетной предельной кратности первичного тока.

Полная погрешность связана с предельной кратностью k₁₀ трансформатора тока, представляющей собой наибольшее отношение первичного тока к его номинальному значению, при котором полная погрешность при заданной вторичной нагрузке не превышает ε =10%. Предприятие-поставщик гарантирует значение предельной кратности для номинальной нагрузки (номинальная предельная кратность k_10ном). Трансформаторы тока выбираются так, чтобы полная погрешность не превышала ε =10% при заданной вторичной нагрузке и кратности первичного тока, соответствующей условиям срабатывания защиты. При этом угловая погрешность не превосходит нескольких градусов, что допустимо. Рассмотренные соотношения и векторная диаграмма характерны и для вторичных, измерительных трансформаторов тока, которые, как правило, входят в измерительную часть современных устройств защиты и автоматики.

Магнитные трансформаторы тока (МТТ) предназначены для дистанционного преобразования переменного тока. Основным элементом МТТ является его обмотка с разомкнутым магнитопроводом или без него, которая устанавливается в магнитном поле контролируемого тока на допустимом расстоянии от высоковольтного провода и имеет потенциал земли. При этом выходной сигнал МТТ (индуктированная в обмотке ЭДС) является функцией магнитного поля. Уровень этого сигнала зависит от расстояния между обмоткой МТТ и проводом и от их взаимной ориентации. При допустимых расстояниях уровень сигнала оказывается весьма малым. Если МТТ используется для контроля тока в проводе одной из фаз трехфазной электроустановки, то магнитные поля, создаваемые токами других фаз, могут создавать помехи. Имеются конструкции МТТ (типа ТВМ), практически свободные от этих недостатков. В системах электроснабжения магнитные трансформаторы тока нашли применение в устройствах токовых защит подстанций без выключателей со стороны высшего напряжения.

Дискретные трансформаторы тока (ДТТ). Основным элементом ДТТ является аналоговый первичный измерительный преобразователь тока. Им может быть любой трансформатор тока. Целесообразно, однако, использовать для этой цели МТТ. Его аналоговый сигнал при помощи аналого-дискретного преобразователя (АДП) преобразуется в последовательность дискретных сигналов, каждый из которых несет информацию о комплексном действующем значении контролируемого тока. Длительность сигнала отображает модуль тока, а положение переднего или заднего фронта сигнала на оси времени — фазу тока. Достоинство ДТТ состоит, в частности, в возможности расширить область применения дешевых, но маломощных МТТ. Наиболее полно теоретические основы и практическая реализация МТТ и ДТТ изложены в [12].

7 лекция: Линейные измерительные преобразователи синусоидальных

напряжений и токов. Первичные измерительные преобразователи напряжения. Схема замещения и погрешности трансформаторов напряжения. Схемы соединения обмоток трансформаторов напряжения.