§ 5.6. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Измерительные приборы, реле, автоматические регуляторы возбуждения присоединяются чаще всего не непосредственно в электрическую цепь, а через трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Благодаря этому обеспечивается безопасность измерения, удобство обслуживания приборов и реле, возможность устанавливать их в удобном месте. Кроме того, представляется возможность стандартизировать приборы и реле на номинальный ток в 5 или 1 а и на номинальное напряжение 127 в (в береговых установках 100 в).
Вторичные обмотки трансформаторов тока и напряжения в установках 380 в и выше заземляют, что позволяет обнаружить и затем устранить пробой изоляции между обмотками и тем предотвратить длительную работу вторичной цепи трансформаторов при повышенном, опасном для человека напряжении.
Трансформаторы тока
Первичную обмотку трансформатора тока, как известно, включают в цепь измеряемого тока последовательно, во вторичную обмотку так же последовательно включают токовые катушки приборов и реле.
Каждый трансформатор тока характеризуется его номинальным коэффициентом трансформации &ном (обозначенным в паспорте трансформатора), под которым понимают отношение номинального тока первичной обмотки I1ном к номинальному току вторичной обмотки I2ном. Номинальный коэффициент трансформации приблизительно равен отношению числа витков вторичной обмотки w2 к числу витков первичной обмотки w1, т. е.
(5-6)
Трансформаторы тока характеризуются Также погрешностями, привносимыми ими в результате измерений. Этих погрешностей две: погрешность в величине тока ΔI и угловая погрешность δ.
Погрешность в величине тока (ее называют также погрешностью в коэффициенте трансформации) характеризуется отношением в процентах:
(5-7)
где I1 — истинная величина первичного тока;
kном I2 — вторичный ток, приведенный к первичной цепи.
Этот ток определяется путем замера.
Рис. 5.30. Векторная диаграмма трансформатора тока
Из формул (5.10) и (5.11) следует, что погрешности трансформаторов тем больше, чем больше относительная величина результирующей намагничивающей силы F0 или чем больше ток холостого хода трансформатора I0.
При I0 = 0 токовая и угловая погрешности равны нулю.
Для уменьшения погрешностей трансформатора тока стремятся уменьшить ток холостого хода, а последний зависит главным образом от качества стали и размеров сердечника трансформатора тока.
Изготовление сердечников из стали с высокой магнитной проницаемостью (холоднокатаная кремнистая сталь или, иногда, сплав, называемый пермаллоем) позволяет получить трансформатор тока небольших габаритов с малыми погрешностями. Сокращение длины магнитной цепи и увеличение площади поперечного сечения сердечника также уменьшают ток холостого хода и повышают класс точности трансформаторов; однако с увеличением сечения увеличиваются габариты, вес и стоимость трансформатора.
Трансформаторы тока разделяют на пять классов точности: 0,2; 0,5; 1; 3; 10.
Класс точности трансформатора тока определяется величиной его предельной токовой погрешности при номинальном первичном токе и сопротивлении z2 вторичной цепи (величине вторичной нагрузки), заключенном в пределах от 25 до 100% от номинального сопротивления z2 ном.
Номинальным сопротивлением z2 ном (нагрузкой) называют наибольшее сопротивление, при котором трансформатор работает в данном классе точности. Номинальному сопротивлению соответствует номинальная вторичная мощность
В табл. 5.1 приведены наибольшие допускаемые погрешности согласно ГОСТ 7746—68. Там же приведены обычные области применения трансформаторов тока каждого класса точности.
Трансформаторы тока применяются не только для питания измерительных приборов, но также и для питания релейных защит.
Опытом эксплуатации защит установлено, что для их четкой работы при токах аварийного режима погрешность не должна превышать: по току — 10%, а по углу — 7°. Эти условия почти всегда удовлетворяются при питании цепей защит трансформаторами 1-го и 3-го классов точности.
Рассмотрим основные особенности работы трансформаторов тока.
1. Ток первичной цепи трансформатора тока I1 практически не зависит от нагрузки z2 на его вторичную цепь (величины сопротивления нагрузки трансформатора). Объясняется это тем, что величина полного сопротивления трансформатора, приведенная к его первичной стороне, ничтожно мала по сравнению с полным сопротивлением цепи, в которую включен трансформатор тока, так что изменение сопротивления трансформатора даже в несколько раз практически не меняет полного сопротивления цепи. Напомним, что у силового трансформатора с изменением сопротивления нагрузки полное сопротивление цепи изменяется и вместе с ним изменяется первичный ток.
Таблица 5.1
Допускаемые погрешности и область применения трансформаторов тока в зависимости от классов точности трансформаторов режим, близкий к к. з., является нормальным режимом работы трансформатора тока.
- Из схемы замещения также следует, что с ростом величины z2 при Iх = const ток I0 растет. Таким образом, с ростом сопротивления нагрузки трансформатора тока его погрешности увеличиваются. Именно поэтому трансформатор тока работает в данном классе точности лишь до тех пор, пока z2 не выходит за границы установленного для него номинального значения величины z2 ном. При z2 > z2 ном или, что то же, при S2 > S2ном трансформатор тока переходит в следующий, более низкий класс точности.
На паспортной табличке трансформатора указывается наивысший класс точности, в котором он может работать. Значение S2H0M приводится в каталожных данных.
Рис. 5.31. Схема замещения трансформатора
- При разомкнутой вторичной цепи трансформатора токи I2 =0 и I0=I1. Намагничивающий ток и результирующая н. с. F0 при разрыве вторичной цепи трансформатора тока возрастают во много раз. При этом и индукция в сердечнике возрастает до значений, соответствующих насыщенному состоянию, что приводит к возрастанию потерь в стали — перегреву ее и перегреву изоляции обмоток. Кроме того, при возросшей индукции э. д. с., наводимая во вторичной обмотке, также возрастает, особенно в связи с тем, что магнитный поток при насыщении сердечника имеет не синусоидальную, а трапецеидальную форму. Пики э. д. с., наводимой во вторичной обмотке, могут достигать тысяч вольт, что опасно и для обслуживающего персонала и для изоляции вторичной цепи трансформатора.
Из сказанного следует, что вторичную цепь трансформатора тока, находящегося в работе, разрывать нельзя. При отключении прибора необходимо сначала замкнуть накоротко вторичную обмотку трансформатора и только затем отсоединить прибор.
- Погрешности трансформатора тока при неизменном значении z2 зависят от величины первичного тока. Это объясняется зависимостью магнитной проницаемости стали сердечника трансформатора μ от напряженности магнитного поля. При увеличении тока I1 увеличивается и ток I0 (что следует из схемы замещения) и до некоторого значения I0 увеличивается величина μ. В результате I0|F0| растет медленнее, чем I1|F1|, и погрешности трансформатора с ростом тока Iх уменьшаются (см. табл. 5.1). Однако начиная с некоторого значения I0, величина μ, достигнув максимума, станет уменьшаться, в результате ток I0 увеличивается быстрее тока Iх и погрешности трансформатора растут.
Среди схем соединения трансформаторов тока с приборами наибольшее распространение получили схемы, представленные на рис. 5.32.
Измерением тока в одной фазе (схема на рис. 5.35, а) ограничиваются в установках с примерно равной нагрузкой каждой из трех фаз.
Если нагрузка на фазы неравномерна, то применяют схему на рис. 5.32, б или в. Схема в возможна лишь в трехпроводных сетях, тогда как схема б может применяться и в четырехпроводных установках 380/220 и 220/127 в. В схеме в ток, протекающий через амперметр в общем проводе, равен геометрической сумме токов фаз А и С, равной в свою очередь току фазы В. Последнее следует из справедливого для трехпроводной системы равенства .
Рис. 5.32. Схемы соединений трансформаторов тока
Конструкции трансформаторов тока разнообразны. По конструкции первичной обмотки трансформаторы можно подразделить на одно- и многовитковые с первичной обмоткой из нескольких витков, охватывающих сердечник трансформатора.
Одновитковые трансформаторы тока имеют ряд преимуществ, в том числе: небольшие габариты и вес, высокую динамическую и термическую устойчивость и др. Однако при малых токах н. с. F1 одновитковых трансформаторов тока мала и точность в связи с этим низка; поэтому одновитковые трансформаторы изготовляют чаще всего на токи не менее 400 а.
Многовитковые трансформаторы тока изготовляют на сравнительно небольшие токи (от 5 до 600 а), когда при одном витке первичной обмотки требуемая точность и необходимая мощность не могут быть обеспечены. Габариты, вес и стоимость многовитковых трансформаторов тока больше, а динамическая и термическая устойчивости меньше, чем у одновитковых.
Специальную группу образуют судовые трансформаторы, рассчитанные для работы в условиях, обычных для судна (температура, влажность, вибрация и т д.).
Заметим, что в последнее время заметное распространение получили трансформаторы тока с изоляцией из литой синтетической смолы. Габариты таких трансформаторов значительно меньше габаритов трансформаторов с фарфоровой изоляцией.
