Принципиальная схема трансформатора тока

Принципиальная схема одноступенчатого электромагнитного трансформатора тока и его схема замещения приведены на рис. 2. Как видно из схемы, основными элементами трансформатора тока участвующими в преобразо­вании тока, являются пер­вичная 1 и вторичная 2 об­мотки, намотанные на один и тот же магнитопровод 3. Первичная обмотка включа­ется последовательно (в рас­сечку токопровода высокого напряжения 4, т. е. обтекается током линии I_j. Ко вторичной обмотке подключаются измерительные приборы (амперметр, токовая обмотка счетчика) или реле. При ра­боте трансформатора тока вторичная обмотка всегда замкнута на нагрузку.

Рис. 2. Принципиальная схема трансформатора тока и его схема замещения.

Первичную обмотку совместно с цепью высокого напряжения называют первичной цепью, а внешнюю цепь, получаю­щую измерительную информацию от вторичной обмотки трансфор­матора тока (т. е. нагрузку и соединительные провода), называют вторичной цепью. Цепь, образуемую вторичной об­моткой и присоединенной к ней вторичной цепью, называют ветвью вторичного тока.

Из принципиальной схемы трансформатора видно, что между первичной и вторичной обмотками не имеется электрической связи. Они изолированы друг от друга на полное рабочее напря­жение. Это и позволяет осуществить непосредственное присоеди­нение измерительных приборов или реле ко вторичной обмотке и тем самым исключить воздействие высокого напряжения, при­ложенного к первичной обмотке, на обслуживающий персонал. Так как обе обмотки наложены на один и тот же магнитопровод, то они являются магнитно-связанными.

На рис. 2 изображены только те элементы трансформатора тока, которые участвуют в преобразовании тока. Конечно, ТТ имеет много других элементов, обеспечивающих требуемый уро­вень изоляции, защиту от атмосферных воздействий надлежащие монтажные и эксплуатационные характеристики.

Перейдем к рассмотрению принципов действия трансформатора тока (рис. 2). По первичной обмотке 1 трансформатора тока про­ходит ток I₁, называемый первичным током. Он зависит только от параметров первичной цепи. Поэтому при анализе явлений, происходящих в трансформаторе тока, первичный ток можно считать заданной величиной. При прохождении первичного тока по первичной обмотке в магнитопроводе создается перемен­ный магнитный поток Ф₁ изменяющийся с той же частотой, что и ток I₁. Магнитный поток Ф₁ охватывает витки как первичной, так и вторичной обмоток. Пересекая витки вторичной обмотки, магнитный поток Ф₁ при своем изменении индуцирует в ней элект­родвижущую силу. Если вторичная обмотка замкнута на некото­рую нагрузку, т. е. к ней присоединена вторичная цепь, то в такой системе «вторичная обмотка — вторичная цепь» под действием индуцируемой э. д. с. Будет проходить ток. Этот ток согласно закону Ленца будет иметь направление, противоположное на­правлению первичного тока I_i. Ток, проходящий по вторичной обмотке, создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф₂, который направлен встречно магнитному потоку Ф₁. Вследствие этого магнитный поток в магнитопроводе, вызванный первичным током, будет уменьшаться.

В результате сложения магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ в магнито­проводе устанавливается результирующий магнитный поток:

Ф₀ = Ф₁ — Ф₂

составляющий несколько процентов магнитного по­тока Ф₁. Поток Ф₀ и является тем передаточным «звеном, посред­ством которого осуществляется передача энергий от первичной обмотки ко вторичной в процессе преобразования тока.

Результирующий магнитный поток Ф₀, пересекая витки обеих обмоток, индуцирует при своем изменении в первичной обмотке противо-Э.Д.С. E ₁, а во вторичной обмотке — э. д. с. E ₂. Так как витки первичной и вторичной обмоток имеют примерно одинаковое сцепление с магнитным потоком в магнитопроводе (если прене­бречь рассеянием), то в каждом витке обеих обмоток индуцируется одна и та же Э.Д.С. Под воздействием Э. Д. С. E ₂ во вторичной обмотке протекает ток I₂, называемый вторичным током.

Если обозначить число витков первичной обмотки, через ω₁, а вторичной обмотки — через ω₂, то при протекании по ним соот­ветственно токов I₁ и I₂ в первичной обмотке создается магнито­движущая сила

F₁ = I₁ ω₁

называемая первичной маг­нитодвижущей силой (М. Д. С.), а во вторичной обмотке — магнитодвижущая сила

F₂ = I₂ ω₂

называемая вто­ричной М. Д. С. Магнитодвижущая сила измеряется в ам­перах.

При отсутствии потерь энергии в процессе преобразования тока магнитодвижущие силы F₁ и F₂ должны быть численно равны, но направлены в противоположные стороны.

Трансформатор тока, у которого процесс преобразования тока не сопровождается потерями энергии, называется идеаль­ным. Для идеального трансформатора тока справедливо следую­щее векторное равенство:

F1=F2 (1)

Или

I₁ ω₁₌I₂ ω₂ (2)

Из равенства (2) следует, что

I₁/I₂ = ω₁/ ω₂ = n (3)

Т. е. токи в обмотках идеального трансформатора тока обратно пропорциональны числам витков.

Отношение первичного тока ко вторичному (I₁/I₂) или числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки (ω₁/ω₂) называется коэффициентом трансформации n идеального трансформатора тока. Учитывая равенство (3), можно написать

I₁ = I₂ (ω₁/ ω₂) = I₂n (4)

т. е. первичный ток I₁ равен вторичному току I₂, умноженному на коэффициент трансформации трансформатора тока n.

В реальных ТТ преобразование тока сопровождается потерями энергии, расходуемой на создание магнитного потока в магнитопроводе, на нагрев и перемагничивание магнитопровода, а также на нагрев проводов вторичной обмотки и вторичной цепи.

Эти потери энергии нарушают установленные выше равенства для абсолютных значений М. Д. С. F₁ и F₂. В реальном трансформа­торе первичная М. Д. С. должна обеспечить создание необходимой вторичной М. Д. С., а также дополнительной М. Д. С., расходуе­мой на намагничивание магнитопровода и покрытие других по­терь энергии. Следовательно, для реального трансформатора урав­нение (1) будет иметь следующий вид:

F₁ = F₂ +F₀ (5)

где F₀ — полная М. Д. С. намагничивания, затрачиваемая на про­ведение магнитного потока Ф₀ по магнитопроводу, на нагрев и перемагничивание его.

В соответствии с этим равенство (2) примет вид

I₁ ω₁= I₂ ω₂ + I₀ ω₀ (6)

где I₀ — ток намагничивания, создающий в магнитопроводе магнитный поток Ф₀ и являющийся частью первичного тока I₁. Разделив все члены уравнения (6) на ω₁ получим:

I₁ = I₂ (ω₂/ ω₁) + I₀ (7)

При первичном токе, не превышающем номинальный ток ТТ, ток намагничивания обычно составляет не более 1÷3 % первич­ного тока и им можно пренебречь. Тогда (7) будет иметь такой же вид, как (4), т. е.

I₁ = I₂n

Таким образом, вторичный ток трансформатора пропорциона­лен первичному току.

Из выражений (4) и (7) следует, что для понижения измеряемого тока необходимо, чтобы число витков вторичной обмотки было больше числа витков первичной обмотки.

Сравнивая формулы (2) и (5), видим, что они отличаются друг от друга членом F₀ (или I₀ω₁). Следовательно, реальный трансформатор тока несколько искажает результаты измерений, т. е. имеет погрешности.

Иногда пользуются так называемым приведением тока к пер­вичной или вторичной обмотке. Так, например, если разделить первичный ток на коэффициент трансформации, то получим пер­вичный ток, приведенный ко вторичной обмотке: I^’₀ = I₁/n. Ана­логично приведенный ток намагничивания будет I^’₀ = I₀/n. Тогда получим:

I^’₁ = I^’₂ + I^’₀ (8)

Путем такого приведения трансформатор тока заменяется эквивалентным ТТ с коэффициентом трансформации, равным еди­нице.

Из полученного равенства (8) следует, что часть приведенного первичного тока I^’₁ идет на намагничивание магнитопровода, а остальная часть трансформируется во вторичную цепь, т. е. первичный ток I^’ как бы разветвляется по двум параллельным цепям: по цепи нагрузки и цепи намагничивания. Этому соответ­ствует схема замещения, приведенная на рис. 2, где в цепь ветви намагничивания z₀ от тока I^’₁ ответвляется ток I^’₀. Остальная часть тока I^’ проходит по вторичной цепи, представляя собой вторичный ток I₂

Сопротивление первичной обмотки ТТ на схеме замещения не показано, так как оно не оказывает влияния на работу трансформатора.

1) Для правильного выбора измерительного трансформатора тока, помимо основных электрических параметров и габаритов, необходимо учитывать потери во вторичной (измерительной) цепи трансформатора, которые влияют на точность измерения. Предельные величины этих потерь, соответствующие классу точности прибора (0,5-1 или приведены в технических характеристиках.

2) также Выбор трансформаторов тока производится:

· по напряжению

≥

· по первичному току

> ( ≈ )

· по конструкции и классу точности

· по электродинамической стойкости i_у (k_дин I₁ ном)

· по вторичной нагрузке Z₂ (Z_{2 ном}) [5А; 1А, по заказу 2;2,5А]

·

· по термической стойкости

3) В настоящее время выбор измерительных трансформаторов в основном сводится к подбору из серийно выпускаемых тех, которые по своим номинальным параметрам лежат наиболее близко к требуемым. Такой подход достаточно прост, однако не всегда позволяет произвести правильно выбор и очень часто может приводить к увеличению погрешности измерений. Рассмотрим и проанализируем некоторые подобные случаи:

Случай 1. Для коммерческого учета требуется опорный трансформатор тока на малый первичный ток (напр. 50А) с высоким значением тока термической стойкости (31,6 КА).

Среди серийно выпускаемых трансформаторов тока подобных нет, поскольку обычные опорные трансформаторы на малые первичные токи имеют такие малые значения токов термической стойкости.

Как поступают на практике проектировщики? Они выбирают из серийных трансформаторов тот, который обеспечивает необходимый ток термической стойкости и имеет при этом минимальный первичный ток. В частности, для нашего примера - это трансформатор тока на 300А с классом точности 0,5.

Согласно ГОСТ, этот трансформатор должен обеспечивать точность измерений в пределах от 5% и до 120% номинального первичного тока, т.е. от 15А и до 360А, и следовательно его можно использовать для измерений на 50А. Так ли это?

Во-первых, трансформатор тока на 300А при 50А первичного тока по ГОСТ допускает ошибку от ±0,75% до ±1,5%, что значительно выше, чем ошибка, которая допускается для трансформатора тока с номинальным значением первичного тока 50А - это ±0,5%.

Во-вторых, для трансформатора тока на 50А нижний предел первичного тока равен 2,5А вместо 15А для трансформатора на 300А.

Таким образом, используя трансформатор тока на 300А, мы увеличили погрешность измерений и повысили допускаемый нижний предел первичного тока.

Случай 2. Для защиты, требуется трансформатор тока с определенной предельной кратностью вторичного тока.

Чтобы иметь возможность использовать серийный трансформатор, проектировщики требуют для него кривые зависимости предельной кратности вторичного тока от вторичной нагрузки.

С помощью этих кривых, определяется максимальное значение вторичной нагрузки при нужных значениях предельной кратности.

Если вторичная нагрузка оказывается меньше требуемой по проекту, то с помощью варьирования сечения и длины соединяющих проводов, проектировщики добиваются необходимых значений вторичной нагрузки.

Таким образом, технически проблема решена, однако часто это решение оказывается экономически невыгодным из-за необходимости увеличения сечения проводов и уменьшения расстояния, за счет переноса релейных шкафов.

Случай 3. Нужен измерительный трансформатор тока с определенным коэффициентом безопасности прибора, чтобы одновременно с измерением обеспечить защиту измерительных приборов в случае короткого замыкания в первичной цепи.

На практике требуемые значения коэффициента безопасности прибора обычно равно 5 или 10, а серийные трансформаторы часто имеют значения 20, 30 и более. При таких значениях говорить о защите измерительных приборов бессмысленно и поэтому придется устанавливать дополнительную защиту.

Серийные трансформаторы тока не позволяют в полной мере использовать преимущества трансформаторов тока с заданными значениями коэффициента безопасности прибора.

Можно привести еще целый ряд других случаев, когда использование серийных трансформаторов с определенными, уже заранее установленными номинальными параметрами, приводит как к увеличению погрешности измерений, так и значительному удорожанию всей системы измерения и защиты.

Как быть в таком случае?

Решение проблемы достаточно просто - нужно иметь возможность заказывать производителям трансформаторов изготавливать трансформаторы на те номинальные параметры, которые нужны заказчику. Такой подход давно практикуется на фирме KWK Messwandler. Сегодня это совершенно реально и не требует специальной дорогостоящей разработки.

С помощью компьютерной техники в течение нескольких минут рассчитывается нужный трансформатор, а с помощью современных методов производства их можно изготовить также быстро и дешево, как и серийные трансформаторы.

Заказчик, заказывая на фирме измерительный трансформатор, указывает технические требования, которые ему необходимы, а фирма такой трансформатор проектирует и изготавливает.

Для трансформаторов тока обычно указывают следующие параметры:

· номинальный первичный и вторичный токи;

· номинальная вторичная нагрузка;

· номинальное напряжение;

· число обмоток;

· класс точности каждой обмотки

· для измерений - коэффициент безопасности приборов,

· для защиты - предельную кратность вторичного тока

· ток термической и динамической стойкости;

· номинальная частота и т.д.

На основании этих данных производитель изготавливает нужный заказчику измерительный трансформатор тока.

Таким образом, такой подход к выбору трансформаторов позволяет обеспечить качественный учет электроэнергии, правильную работу защиты и минимизировать затраты.

Поиск по сайту: