Рис. 3-14. Схема включения измерительных трансформаторов.
Мощные электроустановки характеризуются высокими значениями действующих напряжения и тока. В целях удобства и безопасности обслуживания в таких установках обычно главные цепи, непосредственно включающие в себя производственную нагрузку, отделены от вспомогательных — цепей управления, защиты, сигнализации и контроля.
Контроль за процессами и измерение величин главной цепи приборами, включенными во вспомогательную цепь, осуществляются посредством измерительных трансформаторов, заменяющих электрическую связь между цепями магнитной. Точность показаний, передаваемых из одной цепи в другую, зависит от погрешности, обусловленной физическими процессами в измерительных трансформаторах.
Выполнение необходимых функций вспомогательными электрическими цепями по контролю за процессами в главных цепях обеспечивается двумя величинами: напряжением и током. В соответствии с этим измерительные трансформаторы делятся на трансформаторы напряжения и тока (ТН и ТТ), включаемые соответственно параллельно и последовательно в контролируемую цепь (рис. 3-14).
Трансформаторы напряжения
Главной характеристикой трансформатора напряжения является его номинальный коэффициент трансформации, равный отношению номинальных значений первичного и вторичного напряжений:
Трансформаторы напряжения конструируются таким образом, чтобы при любом номинальном первичном напряжении вторичное равнялось 100 В1. Номинальные первичные напряжения соответствуют шкале стандартных напряжений: 3, 6, 35, 110 кВ и более (§ 11-2). Коэффициент трансформации непостоянен и зависит от нагрузки вторичной обмотки трансформатора.
Погрешность по напряжению обычно определяется как разность между измеренным и фактическим значениями, выраженная в процентах от фактического (действительного) значения напряжения первичной (главной цепи):
Погрешность трансформаторов напряжения обусловлена тем, что напряжения, приходящиеся на один виток первичной и вторичной обмоток, не равны, а отличаются на значение внутреннего падения напряжения в трансформаторе. Последнее определяется сопротивлением обмоток и проходящим током нагрузки. Поэтому при увеличении нагрузки погрешность возрастает, а высшая точность трансформатора соответствует его холостому ходу.
Таблица 3-3
Другим параметром, характеризующим точность трансформаторов напряжения, является угол сдвига по фазе вторичного напряжения относительно первичного. Этот параметр называется погрешностью по углу; он также зависит от нагрузки трансформатора.
Для трансформаторов напряжения установлены четыре класса точности, определяемые допустимой погрешностью. Различным назначениям трансформаторов соответствуют определенные классы точности (табл. 3-3).
Рис. 3-15. Трансформаторы напряжения.
а — НОМ-10; б —3HOM-35.
Каждому классу точности соответствует определенная предельная нагрузка вторичной обмотки. При изменении нагрузки трансформаторы, по величине погрешности могут переходить из одного класса точности в другой.
В каталогах указываются значения номинальной мощности нагрузки, при которых обеспечиваются гарантированные классы точности 0,5; 1 и 3, а также максимально допустимая нагрузка трансформатора напряжения по нагреву.
В установках напряжением до 10 кВ применяются однофазные и трехфазные трансформаторы напряжения. На напряжении 35 кВ и выше используются однофазные измерительные трансформаторы, соединяемые звездой в трехфазную группу.
На рис. 3-15 изображены однофазные трансформаторы напряжения 10 000/100 и 35 000/100 с масляным охлаждением; первый —для внутренней, второй — для наружной установки.
Рис. 3-16. Трехфазный пятистержневой трансформатор напряжения.
Обмотки, располагаемые на среднем стержне трехстержневого магнитопровода, помещены в бак с трансформаторным маслом, служащим для охлаждения и изоляции обмоток.
Однофазные трансформаторы на 10 и 6 кВ (НОМ-10 и НОМ-6) аналогичны по конструкции. Они имеют два одинаковых ввода на стороне высшего напряжения; изоляция каждого из них рассчитана на полное номинальное напряжение сети.
Трансформаторы 3HOM-35 включаются на стороне высшего напряжения в звезду, образуя группу из трех трансформаторов. Поэтому на стороне высшего напряжения один из двух вводов рассчитан на полное линейное напряжение, а другой, присоединенный к нулевой точке трехфазной группы, имеет меньший габарит по сравнению с первым. Трансформаторы 3HOM-35 имеют две вторичные обмотки и четыре вывода низшего напряжения на крышке бака.
Кроме однофазных трансформаторов для устройств 6 и 10 кВ применяются трехфазные трансформаторы напряжения типа НТМК, в которых на трехстержневом магнитопроводе располагаются обмотки, соединяемые в трехфазные группы.
Та блица 3-4
Трансформаторы напряжения
Пятистержневые трехфазные трансформаторы напряжения (НТМИ) применяются для контроля изоляции в электроустановках (рис. 3-16). С помощью таких трансформаторов особые приборы реагируют на замыкание одной фазы главной цепи на землю.
Дополнительные стержни пятистержневого трансформатора напряжения служат для образования контура, по которому замыкается магнитный поток нулевой последовательности, возникающий вследствие нарушения симметрии токов при однофазном замыкании на землю. Одна из двух групп обмоток низшего напряжения трансформатора соединена в схему «открытого треугольника»; ее выводы подключаются к цепям контроля изоляции.
Таблица 3-4 содержит сведения о некоторых наиболее распространенных в гидромеханизации трансформаторах напряжения.
Трансформаторы тока
Трансформаторы тока характеризуются номинальным напряжением, определяющим возможность использования их в установке по условиям диэлектрической прочности, и номинальным коэффициентом трансформации:
Стандартное значение вторичного номинального тока составляет 5 А для любых трансформаторов тока.
Шкала номинальных первичных токов представляет ряд следующих значений: 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 750, 800, 1000 А и т. д.
Коэффициент трансформации трансформаторов тока непостоянен и зависит от нагрузки.
Аналогично трансформатору напряжения ток, отличается от действительного значения первичного тока; его отклонение от истинного значения составляет погрешность трансформатора тока.
Относительная, выраженная в процентах от первичного тока, погрешность называется токовой погрешностью и определяется по формуле
Токовая погрешность обусловлена наличием намагничивающего тока, нарушающего пропорциональность между первичным и вторичным током трансформаторов (из
теории трансформаторов известно, что
где I — намагничивающий ток).
Таким образом, повышение точности трансформатора возможно снижением значения намагничивающего тока, достигаемого конструктивным путем.
Токовая погрешность зависит от двух факторов: нагрузки трансформатора тока на его вторичной обмотке и от первичного тока (тока главной цепи).
При большом сопротивлении приборов, подключенных ко вторичной обмотке, ток I2 мал, а так как первичный ток I1 определяется только нагрузкой главной цепи (рис. 3-14), то намагничивающий ток возрастает, а следовательно, увеличивается и погрешность трансформаторов тока.
В предельном случае, при разрыве вторичной цели (I2—0), весь первичный ток становится намагничивающим (А=А), что приводит к резкому увеличению потока в магнитопроводе трансформатора и, следовательно, к увеличению вторичной э. д. с. При этих обстоятельствах значение э. д. с. может превзойти диэлектрическую прочность обмотки и привести к пробою изоляция, поэтому ненагруженные вторичные обмотки трансформаторов тока необходимо замыкать накоротко.
Из сказанного следует, что наименьшая погрешность имеет место при режиме трансформаторов тока, близком к короткому замыканию.
В свою очередь намагничивающий ток I0 зависят от первичного тока; эта зависимость определяется характеристикой намагничивания магнитопровода. Явление насыщения стали приводит к тому, что ее магнитная проницаемость становится непостоянной. При увеличении первичного тока в начальной части кривой намагничивания магнитная проницаемость растет, а по достижении насыщения снижается. При возрастании магнитной проницаемости токовая погрешность снижается, а при ее снижении погрешность растет.
Помимо токовой погрешности точность трансформаторов тока характеризуется также углом между векторами первичного и вторичного токов—так называемой угловой погрешностью.
Характер зависимости угловой погрешности от нагрузки аналогичен погрешности по току.
Допустимая погрешность трансформатора тока определяется классом точности. Обозначение класса точности представляет собой значение наибольшей допустимой погрешности по току при первичном токе, равном 100—120% номинального.
В зависимости от нагрузки трансформатор тока работает в том или другом классе точности. Значения сопротивлений, соответствующих работе трансформатора тока в высших классах точности, содержатся в каталогах. Там же приведены данные о классе точности для суммарного сопротивления приборов во вторичной цепи, отличающегося от номинального значения.
Таблица 3-5 содержит данные по классификации трансформаторов тока.
Исполнение трансформаторов тока зависит от:
1) рабочего напряжения, в соответствии с которым выполнена изоляция токоведущих частей;
2) первичного тока, от которого зависят сечение и конструкция первичной обмотки;
3) места установки и условий работы; 4) исполнения обмоток и пр.
Классификация трансформаторов тока
Таблица 3-5
Для изоляции трансформаторов тока применяется фарфор или компаунд на основе эпоксидной смолы. В трансформаторах тока для установок напряжением 35 кВ и выше обмотки и сердечник смонтированы в фарфоровом корпусе, заливаемом трансформаторным маслом.
От первичного тока зависят сечение шины или стержня, образующего первичную обмотку, и количество ее витков.
По способу установки различают опорные и проходные трансформаторы тока, а также встроенные во вводы масляных выключателей или силовых трансформаторов. В зависимости от конструкции первичной обмотки трансформаторов тока различают ряд исполнений, каждое из которых имеет свои особенности. Ниже описаны некоторые из них.
Одновитковые трансформаторы тока. В качестве первичной обмотки таких трансформаторов используется прямоугольная шина или круглый стержень, включаемые последовательно в главную цепь. Стержень охватывает замкнутый, часто тороидальный, магнитопровод с намотанной на нем вторичной обмоткой. К разновидности одновитковых относится шинный трансформатор тока без первичной обмотки. Такой трансформатор имеет центральное отверстие, сквозь которое пропускают шину распределительного устройства, заменяющую первичную обмотку.
Другой разновидностью является трансформатор тока, встроенный в проходной изолятор (ввод) силового трансформатора или масляного выключателя (рис. 3-7).
Наряду с достоинствами, такими, как компактность, простота конструкции и др., одновитковые трансформаторы тока имеют существенный недостаток — высокую погрешность при малом номинальном первичном токе. Для уменьшения погрешности одновитковые трансформаторы тока иногда соединяют последовательно. Тогда при заданной вторичной э. д. с. удается снизить номинальную индукцию в сердечнике вдвое (э. д. с. пропорциональна магнитной индукции), что уменьшает намагничивающий ток, а следовательно, и погрешность.
Петлевой трансформатор тока имеет в качестве первичной обмотки шину, выполненную в виде петли, помещаемой в двух проходных изоляторах.
Катушечные (многовитковые) трансформаторы тока имеют первичную обмотку, выполненную шиной, образующей несколько витков.
В установках напряжением до 10 кВ трансформаторы такой конструкции с литой изоляцией получили весьма широкое распространение, почти повсеместно вытеснив иные разновидности трансформаторов тока.
Рис. 3-17. Трансформаторы тока.
а — типа ТПОЛМ-10: 1 — выводы первичной цепи; 2— литой корпус; б — типа ТПЛ-10: 1 — выводы первичной цепи; 2 — литой корпус; 3 — выводы вторичной обмотки; 4 — магНИТОпроводы; в— ввод масляного выключателя 110 кВ: 1 — контактный стержень; 2 —фарфоровый изолятор; 3 — встроенный магнитопровод и вторичная обмотка трансформатора тока.
Количество вторичных обмоток, так же как и магнитопроводов, может быть различным. Трансформаторы тока выпускают с одним или несколькими шихтованными магнитопроводами, имеющими (каждый) свои независимые вторичные обмотки, отвечающие определенному классу точности. В зависимости от этого вторичные обмотки имеют соответствующее количество маркированных выводов. Назначение обмоток в этом случае различно. Так, в двухобмоточном трансформаторе тока к одной вторичной обмотке подключают приборы учета и контроля, а к другой — аппараты релейной защиты.
На рис. 3-17 представлены некоторые разновидности трансформаторов тока.
Таблица 3-6
Трансформаторы тока
В табл. 3-6 приводятся их технические данные.
Кабельные трансформаторы тока нулевой последовательности
Назначение этих трансформаторов ограничено функцией защиты кабеля и подключенной к нему электроустановки в трехфазных системах от замыкания одной фазы на землю.
Трансформатор представляет собой тороидальный магнитопровод, надеваемый на кабель, с катушкой, служащей вторичной обмоткой.
Рис. 3-18. Кабельный трансформатор тока.
а—установка трансформатора на кабеле; б — электрическая схема: 1 — магнитопровод; 2—вторичная обмотка; 3 — кабель; 4 —изоляция; 5 — воронка; 6 — заземляющий провод.
Функцию первичной обмотки выполняют жилы трехфазного кабеля, проходящего внутри магнитопровода (рис. 3-18).
При симметричной нагрузке трех фаз кабеля, а также при двух- или трехфазном коротком замыкания сумма токов в фазах в любой момент времени равна нулю; следовательно, магнитный поток в магнитопроводе также равен нулю и э. д. с. во вторичной обмотке не наводится. При замыкании на землю одной фазы симметрия нарушается и ток замыкания создает в магнитопроводе магнитный поток, который наводит э. д. с. во вторичной обмотке. Выводы ее подключаются к цепям защиты.
При установке кабельных трансформаторов концевая воронка (или металлическая экранирующая сетка в гибких кабелях) должна быть изолирована в месте разделки от земли и заземлена, как показано на рис. 3-18. Это необходимо для того, чтобы исключить влияние токов, которые могут проходить по проводящим оболочкам или экранам данного кабеля при однофазном замыкании на других. При указанном способе заземления путь постороннего тока заземления образует в первичном контуре трансформатора петлю, токи ветвей которой взаимно компенсируют их намагничивающее действие.
Выбор трансформаторов тока производится по их назначению, номинальному току и напряжению, конструкции и классу точности, соответствующим условиям и режиму работы установки. Выбранные трансформаторы тока подлежат проверке по сопротивлению нагрузки вторичных обмоток, по погрешности при токе короткого замыкания и на стойкость трансформаторов к токам короткого замыкания.
