§ 47. Измерительные трансформаторы тока
Особенностью трансформаторов тока является то, что они работают в режиме, близком к режиму короткого замыкания, так как сопротивление их вторичных обмоток и присоединенных к ним приборов и реле незначительно.
Величина тока в первичной обмотке, включаемой в электрическую цепь установки последовательно, зависит только от нагрузки, создаваемой потребителями. Изменение тока в первичной обмотке вызывает изменение тока во вторичной обмотке, при этом величина вторичного тока пропорциональна величине первичного тока.
Магнитный поток, создаваемый током вторичной обмотки, направлен против магнитного потока, создаваемого током первичной обмотки. Сложение этих двух потоков дает в результате очень малый поток, замыкающийся в стали сердечника трансформатора. Когда же поток во вторичной обмотке отсутствует, например при обрыве ее цепи, в магнитопроводе трансформатора тока действует полный магнитный поток, создаваемый током первичной обмотки. Этот поток вызовет перегрев магнитопровода, что может привести к сгоранию трансформатора; кроме того, большой поток будет индуктировать в разомкнутой вторичной цепи значительную э. д. с., представляющую опасность для обслуживающего персонала и могущую повредить изоляцию обмоток трансформатора.
Поэтому если необходимо отключить измерительные и защитные приборы при включенном трансформаторе тока, концы вторичной обмотки замыкают накоротко.
Во вторичную обмотку трансформаторов тока можно включить несколько измерительных приборов или реле, соединив их последовательно. Число приборов при этом ограничивается номинальной нагрузкой трансформатора тока.
Нагрузку трансформатора тока определяют как произведение квадрата вторичного номинального тока на сопротивление Z2 присоединяемых к вторичной обмотке приборов, реле, проводов и кабелей.
Номинальной нагрузкой трансформатора тока называют такую величину , при которой он будет работать в пределах своего класса точности.
Действительно, величина тока во вторичной цепи будет зависеть не только от величины э. д. с., наводимой во вторичной обмотке, но и от сопротивления цепи. Следовательно, сопротивление внешней цепи должно лежать в определенных незначительных пределах.
Номинальная нагрузка в вольт-амперах или в омах указывается на паспортном щитке трансформаторов тока.
Для правильного соединения нескольких трансформаторов тока в общую схему и присоединения к ним приборов необходимо знать полярность трансформаторов, т. е. знать, соответствуют ли начала и концы первичной и вторичной обмоток друг другу. Для этой цели их маркируют: начало первичной сбмотки, включаемой в линию, обозначают Л-1, а конец — Л-2. Соответственно начало и конец вторичной обмотки обозначают И1 и И2.
Трансформаторы тока изготовляют напряжения от 0,5 до 500 кВ включительно.
В зависимости от числа витков первичной обмотки трансформаторы тока бывают одновитковые и многовитковые.
Одновитков ые трансформаторы тока (рис. 134, а) конструктивно проще, имеют меньшие размеры, дешевле и более устойчивы при коротких замыканиях, чем многовитковые. Существенным недостатком одновитковых трансформаторов тока является их невысокая точность при измерении малых токов. Одновитковые трансформаторы тока изготовляют для внутренней установки на первичные токи от 400 до 6000 а.
Рис. 135. Опорный катушечный трансформатор тока ТКМ-0,5:
1 — каркас из пластмассы; 2 — зажимы вторичной обмотки; 3 — защитный кожух; 4 — зажимы первичной обмотки
Многовитковые трансформаторы (рис. 134, б) изготовляют для внутренней установки на номинальные первичные токи от 5 до 600 а и для наружной установки на токи от 1000 до 2000 а.
Трансформаторы тока изготавливают с двумя сердечниками, каждый из которых имеет свою вторичную обмотку, первичная же обмотка у обоих сердечников общая (рис. 134, в), при этом получается как бы сдвоенный трансформатор тока. Каждая вторичная обмотка такого трансформатора рассчитана на определенную номинальную нагрузку. Обычно одну из вторичных обмоток используют для включения измерительных приборов, а другую — для реле защиты. Обмотки могут иметь одинаковые или разные классы точности.
Некоторые трансформаторы тока (на 110 кВ и выше) изготавливают с тремя и четырьмя сердечниками.
По способу установки различают проходные, опорные и встроенные трансформаторы тока.
Проходные трансформаторы тока, выполняющие также функции проходных изоляторов, изготавливают только для внутренней установки. Их помещают в проемах стен или перекрытий.
Опорные трансформаторы тока изготавливают как для внутренней, так и для наружной установки.
Встроенные трансформаторы помещают внутри других аппаратов (например, в масляных выключателях МКП, МГ-35 и др.).
Трансформаторы тока изготовляют с пластмассовой, фарфоровой, литой из эпоксидного компаунда и масляной изоляцией.
Опорные катушечные трансформаторы тока ТКМ-0,5 и ТКЛ-0,5 для закрытой установки напряжением до 0,66 кВ имеют многовитковую первичную обмотку в виде катушки из медной фольги, внутри которой на магнитопроводе трансформатора помещена катушка вторичной обмотки.
Трансформаторы тока ТКМ-0,5 (рис. 135) имеют пластмассовый каркас, изолирующий первичную обмотку от вторичной. Трансформаторы тока ТКЛ-0,5 имеют литую из эпоксидного компаунда изоляцию, которой залиты обе обмотки и магнитопровод.
Проходные шинные трансформаторы тока ТШ-0,5 и ТШЛ-0,5 (рис. 136) применяют в закрытых установках напряжением до 0,66 кВ. Эти трансформаторы одновитковые, имеют О-образный магнитопровод, на стержнях которого выполнена вторичная обмотка. При монтаже через внутреннее отверстие трансформатора тока пропускают токоведущую шину того участка монтируемой установки, на котором должен замеряться ток. В этом случае сама шина является первичной обмоткой данного трансформатора тока.
Рис. 136. Проходные шинные трансформаторы тока; а —ТШ-0,5; б — ТШЛ-0,5
Опорные катушечные трансформаторы тока с фарфоровой изоляцией ТКФ-3 (рис. 137) применяют в закрытых установках напряжением до 3 кВ.
Катушка вторичной обмотки этого трансформатора, намотанная на каркас из пропитанного картона, расположена внутри фарфорового изолятора 2 и надета на магнитопровод 6. Катушка первичной обмотки трансформатора наложена на изолятор в имеющееся углубление и закрыта металлическим кожухом 3.
В закрытых распределительных устройствах напряжением 6—10 кВ широко применяют проходные трансформаторы тока различных конструкций.
Проходные трансформаторы тока с фарфоровой изоляцией ТПОФ (рис. 138, а) на напряжение до 20 кВ изготовляют на первичные номинальные токи до 1500 а.
Трансформаторы ТПОФ имеют один или два сердечника кольцевой формы, выполненные из стальной ленты. По окружности сердечника расположена вторичная обмотка. Сердечники надеты
Рис. 137.Трансформатор тока ТКФ-3: 1 — установочные угольники; 2 —фарфоровый изолятор; 3 — защитный кожух; 4 — зажимы первичной обмотки; 5 — зажимы вторичной обмотки; 6 — магнитопровод
на проходной фарфоровый изолятор 2, внутри которого проходит токоведущий стержень 1, являющийся первичной обмоткой трансформатора. Сердечник с вторичной обмоткой и проходной изолятор прикреплены к фланцу, при помощи которого трансформатор тока крепят к основанию. На фланце расположены зажимы 3 вторичной обмотки и болт для присоединения линии заземления. Сердечник с обмотками снаружи защищен стальным кожухом 5.
Проходные одновитковые трансформаторы тока ТПОЛ (рис. 138, б) с литой из эпоксидного компаунда изоляцией на напряжение до 10 кВ изготовляют на номинальные первичные токи до 1500 а. Эти трансформаторы тока имеют незначительные размеры и небольшой вес.
Проходные шинные трансформаторы тока ТПШФ и ТПШЛ (рис. 139) с фарфоровой и литой изоляцией изготовляют на номинальные первичные токи от 2000 до 6000 а. Эти одновитковые трансформаторы тока выполняют на основе шинных проходных изоляторов ИПШ и выпускают без первичной обмотки. Первичной обмоткой трансформаторов тока ТПШФ и ТПШЛ является шина, которую в процессе монтажа РУ пропускают через внутреннюю полость проходного изолятора трансформатора.
Проходные многовитковые трансформаторы тока ТПФМ и ТПЛ (рис. 140) с фарфоровой и литой изоляцией на напряжение до 10 кВ изготовляют на номинальные первичные токи от 5 до 400 а.
Трансформатор тока ТПФМ (рис. 140, а) имеет два проходных фарфоровых изолятора 5, через внутреннюю полость которых намотана первичная обмотка из полосовой меди. Изоляторы, укрепленные во фланце 5, охватываются прикрепленными к тому же фланцу одним или двумя сердечниками с вторичными обмотками, которые снаружи защищены стальным кожухом 6. Обмотки и верхняя часть двух сердечников 7 трансформатора тока ТПЛ (рис. 140, б) залиты компаундом. Зажимы вторичных обмоток также залиты компаундом и расположены на боковой стенке трансформатора.
Рис. 138. Проходные одновитковые трансформаторы тока:
а—ТПОФ-10; б — ТПОЛ-10; 1 —токоведущий стержень (первичная обмотка); 2 — проходной изолятор; 3 — зажимы вторичной обмотки; 4 — стальной фланец; 5 — кожух; 6 — компаундное литье
Кроме описанных проходных трансформаторов тока для внутренней установки, выпускаются также и некоторые другие (в том числе ТПОФУ, ТПФМУ, ТПЛУ), обладающие повышенной устойчивостью против действий токов короткого замыкания.
Для закрытых установок напряжением до 10 кВ выпускаются опорные трансформаторы тока ТФ и ТКЛ с фарфоровой и литой изоляцией.
Опорные трансформаторы тока находят применение в ячейках КРУ.
Для наружных установок напряжением 35 кВ и выше изготовляют опорные трансформаторы тока в маслонаполненном фарфоровом корпусе ТФН, ТФНУ, ТФНД и ТФНКД (Н— наружный, У—усиленный, К — каскадный, Д — для дифференциальных защит).
Трансформаторы тока ТФН, ТФНУ и ТФНД (рис. 141, а) изготовляют на номинальные напряжения 35, 110 и 220 кВ и номинальные первичные токи до 2000 а. Обмотки трансформатора помещены в фарфоровый корпус 5, залитый трансформаторным маслом и укрепленный на металлическом основании 4. На верхнем торце фарфорового корпуса укреплен чугунный маслорасширитель 1 с маслоуказателем и зажимами 2 первичной обмотки.
Сердечник с вторичной обмоткой, укрепленный на основании, охватывается первичной обмоткой (в виде восьмерки). Концы вторичных обмоток выведены на зажимы, помещенные в чугунные герметические коробки на основании трансформатора.
Трансформаторы тока ТФНКД (рис. 141, б) изготовляют на номинальное напряжение до 500 кВ.
Встроенные трансформаторы тока ТВ и ТВД являются частью масляных выключателей с номинальным напряжением 35 кВ и выше. Кольцевой сердечник встроенного трансформатора тока с вторичной обмоткой установлен на проходном изоляторе выключателя со стороны бака. Таким образом, трансформатор тока не требует особого изолятора и первичной обмотки, в качестве которой ему служит токоведущий стержень проходного изолятора.
Рис. 139. Проходные шинные трансформаторы тока:
а — ТПШФ-10; б — ТПШЛ-10; 1 — шинный проходкой изолятор; 2 — защитный кожух; 3 — фланец; 4 — зажимы вторичной обмотки; 5 — компаундное литье
Рис. 140. Проходные многовитковые трансформаторы тока: а — ТПФМ-10; б — ТПЛ-10; 1 — зажимы первичной обмотки; 2 — чугунные колпаки; 3 —проходные изоляторы; 4 — зажимы вторичных обмоток; 5 —фланец; 6 — кожух; 7 — сердечники; 3 — компаундное литье; 9 — установочный угольник
Рис. 141. Опорные трансформаторы тока для наружной установки:
а — ТФНД-220; б — ТФНКД-500; 1 — чугунный маслорасширители (колпак); 2 —зажимы первичной обмотки; 3 —фарфоровый корпус; 4 — основание (тележка); 5 — зажимы вторичных обмоток
Рис. 142. Схемы соединения трансформаторов тока:
а — включение одного трансформатора; б — включение трех трансформаторов в звезду; в — включение двух трансформаторов в неполную звезду
Вторичные обмотки встроенных трансформаторов тока обычно выполняют с четырьмя ответвлениями, позволяющими подобрать число витков, обеспечивающее номинальную величину вторичного тока при протекании через токоведущий стержень проходного изолятора номинального первичного тока.
В зависимости от характера нагрузки, задач измерения и видов релейной защиты в линиях трехфазного тока устанавливают трансформаторы тока на одной, двух или трех фазах, при этом их вторичные обмотки и присоединяемые к ним приборы включают по определенным схемам (рис. 142).
В установках с равномерной нагрузкой фаз измеряют ток по схеме, изображенной на рис. 142, а; соединение же в звезду (рис. 142, б) применяют для включения приборов при измерениях неравномерной нагрузки фаз, а также в четырехпроводных установках напряжением 380/220 и 220/127 в.
Соединение в неполную звезду (рис. 142. в) широко используют для включения приборов в установках как с равномерной, так и неравномерной нагрузкой фаз. Ток, протекающий в общем проводе, равен геометрической сумме токов фаз А и С, т. е. току фазы В. Так как сумма токов трех фаз 1а + 1в + 1с = 0, то 1в = —(1а + 1с), что показано на векторной диаграмме.
Данные схемы встречаются наиболее часто, однако в ряде случаев прибегают к иным схемам включения; некоторые из них рассмотрены ниже.
Контрольные вопросы
- Какое назначение имеют измерительные трансформаторы напряжения и тока? Каковы основные характеристики этих трансформаторов?
- Как подключаются измерительные приборы й реле к вторичным обмоткам трансформаторов тока и напряжения, как включают первичные обмотки этих трансформаторов?
- Что такое класс точности измерительных трансформаторов, от чего он зависит и на какие классы точности выпускаются трансформаторы тока и напряжения?
- Как различаются трансформаторы напряжения по числу фаз и характеру изоляции?
- Назовите известные вам типы трансформаторов напряжения с сухой и масляной изоляцией и кратко поясните их устройство.
- Какие последствия и почему вызывает работа трансформатора тока при разомкнутой обмотке? Как предупредить эти последствия при необходимости отсоединить приборы от вторичной обмотки трансформатора тока?
- Как различаются трансформаторы тока по числу витков первичной обмотки, по способу и месту установки?
- Назовите известные вам типы трансформаторов тока с фарфоровой, литой из эпоксидного компаунда и с масляной изоляцией. Кратко поясните устройство этих трансформаторов.
- По схемам, приведенным на рис. 128 и 131, поясните соединение обмоток и включение трансформаторов напряжения и измерительных приборов при различных вариантах* применения трансформаторов.
- Поясните схемы включения измерительных трансформаторов тока и измерительных приборов по рис. 142.
