4-8. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
В связи с тем что непосредственное измерение больших токов и напряжений в установках высокого напряжения технически трудно осуществимо и нецелесообразно, а также опасно для жизни людей, применяют измерительные трансформаторы тока и напряжения.
а) Трансформаторы тока
Трансформатор тока предназначен для понижения первичного тока до стандартного значения 5 или 1 А и для отделения цепей измерения и защиты от первичных цепей высокого напряжения.
Трансформатор тока имеет замкнутый магнитопровод 2 (рис. 4-19) и две обмотки: первичную 1 и вторичную 3. Первичная обмотка включается последовательно в цепь измеряемого тока 71, ко вторичной обмотке присоединяются измерительные приборы, обтекаемые током I2.
Трансформатор тока характеризуется номинальным коэффициентом трансформации
где I1н — номинальный первичный ток; I2н — номинальный вторичный ток.
Рис. 4-19. Принципиальная схема включения трансформатора тока.
Действительный коэффициент трансформации отличается от номинального вследствие потерь в трансформаторе, которые создают погрешность в измерении тока:
Кроме токовой погрешности имеется также угловая, которая определяется неточным совпадением векторов первичного и вторичного токов. По значению погрешностей различают классы точности трансформаторов тока: 0,2; 0,5; 1,0; 3,0; 10. Трансформаторы тока класса 0,2 применяются при точных лабораторных измерениях; 0,5 — для присоединения счетчиков денежного расчета; 1,0 — для приборов технического учета; 3,0 и 10 — для релейной защиты.
Трансформатор тока работает в своем классе точности только при допустимом сопротивлении нагрузки вторичных цепей; при увеличении нагрузки погрешности также увеличиваются.
Токовые цепи измерительных приборов и реле имеют малое сопротивление, поэтому трансформатор тока нормально работает в режиме, близком к короткому замыканию. Если разомкнуть вторичную обмотку, то исчезает размагничивающий магнитопроводе от вторичного тока. Резко возрастает магнитный поток, который определяется в этом случае только первичным током. Так как сечение магнитопровода не рассчитано на прохождение такого магнитного потока, то он может недопустимо перегреться. На разомкнутой вторичной обмотке появляется чрезмерно высокое напряжение, значение которого также определяется возросшим магнитным потоком. В ряде случаев оно достигает нескольких десятков киловольт.
Ввиду указанных явлений размыкать вторичную обмотку трансформатора тока не разрешается. При необходимости замены измерительных приборов или реле предварительно замыкается накоротко вторичная обмотка трансформатора тока. Безопасность работы во вторичных цепях достигается также заземлением одного из вторичных выводов.
Трансформаторы тока для внутренних установок имеют сухую изоляцию с использованием фарфора или эпоксидной смолы.
Трансформаторы с литой эпоксидной изоляцией имеют малые размеры и проще по технологии производства, поэтому получили широкое распространение. На рис. 4-20 изображен трансформатор тока типа ТПОЛ-10, проходной, одновитковый с литой изоляцией, на напряжение 10 кВ. Первичной обмоткой служит стержень 4 (отсюда название — одновитковый), вторичные обмотки 2 расположены на двух магнитопроводах из электротехнической ленточной стали. Каждый магнитопровод может быть рассчитан и изготовлен на свои параметры, т. е. на определенный класс точности. Наиболее частые сочетания — 0,5/1; 0,5/3; 0,5/Д (Д — обмотка для дифференциальной защиты).
Одновитковые трансформаторы применяются обычно в первичных токах более 600 А. При меньших токах в первичной обмотке будет больше витков.
Обмотки, и магнитопроводы трансформатора ТПОЛ заливаются эпоксидным компаундом, который после затвердевания и полимеризации обеспечивает высокую электрическую и механическую прочность.
Рис. 4-20. Трансформатор тока ТПОЛ-10.
1 — магнитопровод; 2 — вторичная обмотка; 3 — крепежное кольцо; 4 — стержень первичной обмотки.
В цепях с большими токами применяются шинные трансформаторы тока типа ТШЛ, у которых роль первичной обмотки выполняют шины токопровода. Такой трансформатор имеет кольцеобразный магнитопровод со вторичной обмоткой, залитый эпоксидным компаундом, и окно, через которое проходят шины. Трансформаторы тока ТШЛ, ТШВ встраиваются в комплектные экранированные токопроводы в цепях мощных генераторов.
Трансформаторы тока для наружных установок имеют бумажно-масляную изоляцию. Для обеспечения необходимого уровня изоляции все части магнитопровода и обмотки трансформатора погружают в фарфоровую покрышку, которая заполнена трансформаторным маслом. Трансформаторы типа ТФН, ТФНУ имеют так называемую «восьмерочную» конструкцию: тороидальный магнитопровод со вторичной обмоткой проходит через окно первичной обмотки (рис. 4-21). Изоляция обмоток выполнена кабельной бумагой. Первичная обмотка присоединена к выводам 6 и 7, вторичная — в специальную коробку у цоколя изолятора.
В установках 220 кВ и выше применяются каскадные трансформаторы тока ТФНК, в которых используется двухступенчатая трансформация для облегчения изоляции.
Рис. 4-21. Трансформатор тока ТФН-220.
1 — обмотки и магнитопровод; 2 — фарфоровая покрышка; 3 — основание; 4 — коробка вторичных выводов; 5 — маслорасширитель; 6 и 7 — выводы первичной обмотки; 8 — переключатель; 9 — маслоуказатель.
Широко применяются встроенные трансформаторы тока, которые по принципу действия и устройству представляют собой одновитковые проходные трансформаторы. Такие трансформаторы встраиваются в вводы баковых выключателей (см. рис. 4-13) и силовых трансформаторов. Первичной обмоткой их служит токоведущий стержень изолятора. На каждом вводе могут быть установлены один—два трансформатора тока. Недостатками таких трансформаторов являются большая погрешность и малая вторичная мощность.
б) Трансформаторы напряжения
Трансформатор напряжения предназначен для понижения высокого напряжения до стандартного значения 100 В или 100/√3 В и для отделения цепей измерения и релейной защиты от первичных цепей высокого напряжения. Трансформатор напряжения по схеме включения напоминает силовой трансформатор, его первичная обмотка включена на напряжение сети U1, а ко вторичной обмотке с напряжением U2 присоединяются параллельно'катушки измерительных приборов и реле (рис. 4-22). Для безопасности обслуживания один из выводов вторичной обмотки заземляется.
Рис. 4-22. Принципиальная схема включения однофазного трансформатора напряжения.
1 — первичная обмотка; 2 — магнитопровод; 3 — вторичная обмотка.
Трансформатор напряжения в отличие от трансформатора тока работает на нагрузку с большим внутренним сопротивлением, т. е. в режиме, близком к холостому ходу.
Номинальный коэффициент трансформации
где U1n— номинальное первичное напряжение; U2n — номинальное вторичное напряжение.
Рассеяние магнитного потока и потери в магнитопроводе приводят к погрешности измерения напряжения:
Так же как в трансформаторах тока, в трансформаторах напряжения имеется угловая погрешность.
Трансформаторы напряжения могут иметь классы точности 0,2; 0,5; 1; 3, область применения которых такая же, как для трансформаторов тока.
Вторичная нагрузка измерительных приборов и реле не должна превышать номинальную мощность трансформатора напряжения, так как это приведет к увеличению погрешностей.
По конструкции различают трехфазные и однофазные трансформаторы напряжения. Трехфазные применяются на напряжения до 18 кВ, однофазные — на любые напряжения вплоть до 1150 кВ.
Рис. 4-23. Трансформатор напряжения НТМИ-18.
1 — болт заземления; 2 — выводы первичной обмотки; 3 — выводы дополнительной вторичной обмотки; 4 — выводы основной вторичной обмотки; 5 — пробка для заливки масла; 6 — пробка для слива масла.
Рис. 4-24. Схема соединения обмоток трансформатора напряжения.
На рис. 4-23 изображен трехфазный трансформатор напряжения НТМИ-18, имеющий две вторичные обмотки — для измерения напряжения и для контроля изоляции первичной сети. Схема соединения обмоток этого трансформатора показана на рис. 4-24. Обмотка с выводами ад, хд, соединенная в разомкнутый треугольник, предназначена для присоединения реле напряжения. В нормальном режиме на выводах этой обмотки напряжение близко к нулю, при замыкании на землю в первичной сети симметрия напряжений нарушается и на обмотке появляется напряжение, достаточное для срабатывания реле, которое сигнализирует о повреждении. Вторая обмотка соединена в звезду с выведенной нулевой точкой и предназначена для измерения линейных и фазных напряжений.
Обмотки и магнитопровод Трансформатора находятся в баке, заполненном трансформаторным маслом (рис. 4-23). Выводы первичной и вторичных обмоток выполняются через фарфоровые изоляторы и располагаются на крышке трансформатора.
Рис. 4-25. Трансформатор напряжения НОК-6 с литой изоляцией.
1— ввод высокого напряжения; 2 — изоляционный компаунд; 3 — катушка ВН; 4 — катушка НН; 5 — цилиндр из электротехнического картона; 6 — магнитопровод; 7 — выводы обмотки низкого напряжения.
Для установки непосредственно на комплектных экранированных токопроводах выпускаются однофазные масляные трансформаторы типов ЗНОМ-15, ЗНОМ-20, у которых один вывод высокого напряжения заземлен. Каждая первичная обмотка подключается на фазное напряжение вторичные обмотки соединяются по такой же схеме, как у НТМИ (рис. 4-24).
Трансформаторы напряжения могут иметь сухую изоляцию, т. е. обмотку и магнитопровод не погружаются в бак с маслом. Однако надежность работы изоляции снижается. Такие трансформаторы изготовляются на напряжение не выше 6 кВ (НОС-0,5; НОС-6). Более совершенной конструкцией обладает трансформатор с литой изоляцией на основе компаунда из метакриловых смол и кварца. На рис. 4-25 показан трансформатор напряжения НОК-6, имеющий Ш-образный магнитопровод, который охватывает обмотки снаружи. Первичная и вторичная обмотки залиты компаундом. Такие трансформаторы напряжения имеют вдвое меньшие габариты, чем масляные типа НОМ, и предназначены для внутренней установки.
Для напряжения выше 35 кВ применяются каскадные трансформаторы напряжения типа НКФ с двумя и более каскадами, т. е. со ступенчатой трансформацией, что применяется для облегчения изоляции. Магнитопроводы отдельных элементов каскада, первичная и вторичная обмотки помещаются в фарфоровую покрышку, залитую трансформаторным маслом. Каскадные трансформаторы являются однофазными с одной первичной обмоткой и двумя вторичными. При включении в сеть они соединяются по схеме, изображенной на рис. 4-24.
