Трансформаторы напряжения и тока

Трансформаторы напряжения и тока применяются, во-первых, для изоляции измерительных приборов и аппаратов автоматической защиты от цепи высокого напряжения, чем достигается безопасность измерения, и, во-вторых, для расширения пределов измерения измерительных приборов.

Трансформаторы напряжения применяются для включения вольтметров и цепей напряжения измерительных приборов (ваттметров, счетчиков, фазометров) и реле, трансформаторы тока - для включения амперметров и цепей тока измерительных приборов и реле.

Трансформатор напряжения

Принципиальная схема трансформатора напряжения (ТН) показана на рис. 7.31, а, а его условное обозначение - на рис. 7.31, б. Такой трансформатор подобен силовому трансформатору небольшой мощности. Его первичная обмотка - обмотка ВН с большим числом витков w₁ - включается в цепь, напряжение U₁ которой нужно измерить, а ко вторичной обмотке со значительно меньшим числом витков w₂ — обмотке НН U₂ - присоединяются параллельно друг другу вольтметр и цепи напряжения других приборов. Обычно обмотки w₁ и w₂ концентрические - обмотка ВН окружает обмотку НН, как и в силовых трансформаторах (см. рис. 7.31, а, для наглядности обмотки помещены раздельно). Один вывод вторичной обмотки и корпус трансформатора заземляются.

Рис. 7.31

Это делается на случай повреждения изоляции, а также для того, чтобы замкнуть на землю цепь тока, показанную на рис. 7.31, б штриховой линией, через емкость между первичной и вторичной обмотками трансформатора. На­личие этого тока в цепи приборов снижает точность измерения.

Сопротивление вольтметра и цепей напряжения измерительных приборов относительно велико (порядка тысяч ом), т. е. ТН работает в условиях, близких к режиму холостого хода силового трансформатора. Поэтому падения напряжения на первичной z_об1I₁ и вторичной z_об2I₂ обмотках ТН весьма малы, что позволяет считать

U₁ ≈ E_1x; U₂ ≈ E_2x

и

где n₁₂ - коэффициент трансформации, то

(7.67)

т. е. вторичное напряжение связано с первичным постоянным соотношением. Следовательно, измерив низкое напряжение U₂, можно определить первичное высокое напряжение U₁.

При выбранных положительных направлениях напряжений (рис. 7.31), одинаковых относительно одноименных выводов трансформатора, фазы вторичного и первичного напряжений должны совпадать. Следовательно, соединение обмоток ТН выполняется согласно группе 0, выводы обмоток имеют разметку А - X, а - х. Равенство фаз напряжений ТН и цепей измерительных приборов достигается соответствующим соединением выводов вторичной обмотки и выводов приборов. Правильная передача фазы важна, конечно, не для вольтметра, а для ваттметра и счетчика. Вторичное номинальное напряжение большинства ТН имеет одно и то же стандартное значение -100В.

Отношение первичного напряжения к вторичному было бы строго постоянным, если бы падения напряжения на обмотках ТН были равны нулю. В действительности эти падения напряжения вызывают неточности в измерении напряжений - погрешность напряжения и в передаче фазы - угловую погрешность.

Погрешность напряжения, выражаемая в процентах, есть погрешность в измерении первичного напряжения, отнесенная к действительному значению этого напряжения:

(7.68)

где U_1изм и U₁ — измеренное и действительное первичные напряжения.

Угловая погрешность определяется как угол δ_u между векторами

вторичного и первичного напряжений на векторной диаграмме (рис. 7.32), подобной диаграмме на рис. 7.12. Она измеряется в минутах и считается положительной, если вектор вторичного напряжения опережает вектор первичного напряжения.

Для напряжений до 6 кВ ТН изготовляются сухими с естественным воздушным охлаждением, для напряжений от 6 кВ и выше применяются масляные ТН. Трансформаторы напряжения часто изготовляются и трех­фазными. На рис. 7.33 приведен общий вид трехфазного ТН.

Рис. 7.33

Рис. 7.32

Трансформатор тока

Трансформатор тока (ТТ) со стороны первичной обмотки включается как амперметр, т. е. последовательно с контролируемым объектом (рис. 7.34, а), а его вторичная обмотка замыкается непосредственно через амперметр и цепи тока других измерительных приборов. При отключении измерительных приборов вторичную обмотку ТТ необходимо замкнуть ключом К (рис. 7.34, б). Суммарное сопротивление амперметра и цепей тока измерительных приборов мало (обычно меньше 2 Ом), поэтому ТТ работает в условиях, близких к режиму короткого замыкания трансформатора. Напряжение вторичной обмотки ТТ определяется падением напряжения на относительно малом сопротивлении цепей измерительных и соединительных проводов (обычно 1-12 В). Малому напряжению вторичной обмотки соответствует малое значение ЭДС Е₂, а следовательно, и малое значение магнитного потока в магнитопроводе ТТ:

(7.69)

Для возбуждения такого магнитного потока нужна незначительная МДС w₁I_1x, поэтому в уравнении

(7.70)

этой величиной можно пренебречь и считать

(7.71)

или

(7.72)

Следовательно, первичный ток может быть определен умножением вто­ричного тока на постоянный коэффициент трансформации n₂₁.

Таким образом, включение ТТ дает возможность определить ток в цепях ВН на основании измерения небольшого тока с соблюдением мер безопасности. Кроме того, ТТ часто применяется для измерения больших токов в установках с напряжением ниже 1000 В. При правильном соединении выводов ТТ и выводов цепей измерительных приборов ток в измерительных приборах и ток в первичной обмотке ТТ совпадают по фазе. Если амперметр предназначен для постоянной работы с определенным ТТ, то на его шкале наносятся непосредственно значения первичного тока. Вторичный номинальный ток у всех ТТ имеет одно и то же стандартное значение 5 А (в некоторых специаль­ных случаях 1 А).

Рис. 7.34

Отношение токов ТТ не строго постоянно из-за влияния МДС I_1xw₁, которая выше не учитывалась. Это влияние приводит к неточности в измерении тока - погрешности тока f_i и неточности в передаче фазы - угловой погрешности δ_i. Обе эти величины определяются ана­логично погрешностям ТН.

Первичный ток ТТ в большинстве случаев во много раз больше вто­ричного, поэтому число витков первичной обмотки w₁ невелико - во много раз меньше числа витков вторичной обмотки w₂. При изме­рении больших токов первичная обмотка выполняется в виде прово­да, продетого в окно магнитопровода. Наряжение на первичной об­мотке ТТ во много раз меньше вторичного напряжения (w₁ < w₂), которое равно нескольким вольтам, следовательно, напряжение на первичной обмотке часто равно сотым долям вольта.

Ток I₁, задается режимом работы цепи, в которой он измеряется. Увеличивая сопротивление вторичной цепи ТТ, практически нельзя повлиять на значение тока I₁ можно лишь, как следует из (7.30), уве­личить МДС I_1xw₁ вследствие уменьшения тока I₂. Следовательно, с увеличением сопротивления вторичной цепи все менее выполняется основное условие точной работы ТТ: I_1xw₁ < I₂w₂. Поэтому у ТТ указывается наибольшее сопротивление цепи измерительных прибо­ров, подключаемых к вторичной обмотке, при котором погрешность не превысит допустимую. Чем меньше это сопротивление, тем точнее измерение.

Нельзя размыкать вторичную цепь работающего ТТ. В разомкнутой вторичной цепи ТТ ток I₂ равен нулю, но в первичной цепи ток I₁ практически не изменяется. Следовательно, при разомкнутой вторич­ной цепи весь первичный ток становится намагничивающим, т. е. по (7.30) I_1xw₁ = I₁w₁, а так как при номинальном режиме I_1xw₁ составляет примерно 0,5% I₁w₁, то такое многократное увеличение МДС вызывает очень большое увеличение магнитного потока (огра­ниченное насыщением магнитопровода). Электродвижущая сила Е₂ пропорциональна магнитному потоку [см. (7.29)] и в результате увеличения последнего при размыкании вторичной цепи во вторичной обмотке индуктируется ЭДС порядка сотен вольт (до 1,5 к В у ТТ на большие токи). Следовательно, возникает опасность для жизни че­ловека, разомкнувшего вторичную цепь. Кроме того, возрастает мощ­ность потерь в магнитопроводе [см. (7.11) и (7.12)] и в результате сильное его нагревание и расширение. То и другое опасно для целости изоляции и в конечном итоге может привести к пробою изоляции и короткому замыканию на землю со стороны ВН.

Чем меньше магнитное сопротивление магнитопровода, тем меньшая МДС требуется для возбуждения в нем того же магнитного потока. По этой же причине для точных ТТ применяются магнитопроводы без стыков из пермаллоя, например, в универсальных многопредельных

Рис. 7.35

переносных ТТ (рис. 7.35, а) с одной вторичной w₂ и тремя первичны­ми обмотками: w₁ — для измерения тока до 600 А, w^/₁ — тока до 50 А и w^/₁ + w^//₁ - тока до 15 А. Внешний вид такого ТТ показан на рис. 7.35,б.

Помимо требований точности к ТТ часто предъявляются еще и тре­бования устойчивости в отношении коротких замыканий, так как пер­вичная обмотка ТТ находится в цепи, где возможно короткое замыка­ние и через ТТ включаются аппараты защиты (реле) , отключающие уста­новку в случае короткого замыкания. Следовательно, ТТ должен вы­держать (кратковременно) ток короткого замыкания и воздействовать на аппарат защиты, который отключит аварийный участок.

Для сведения к минимуму влияния МДС I_1xw₁ , т. е. повышения точности -ТТ, желательно, чтобы номинальная МДС первичной обмот­ки (I_1номw₁) была возможно большей. У точных ТТ номинальная МДС I_1номw₁ должна быть не менее 500 А. Поэтому при номинальных токах I_1ном менее 500 А первичная обмотка должна иметь несколько витков. Например, при номинальном токе 100А желательно иметь w₁ ≥ 5. Если высокая точность измерений не требуется (при включе­нии амперметров и максимального токового реле) МДС I_1номw₁ может быть значительно меньше.

Для тока 500 А и более применяются одновитковые трансформа­торы, к которым относятся и измерительные клещи, применяемые для ориентировочных измерений токов от 20 до 1000 А при низком напряжении. Магнитопровод измерительных клещей со­стоит из двух U - образных частей, стягиваемых сильной пружиной, изготовлен из листовой электротехнической стали, а два его стыка тща­тельно пришлифованы. Чтобы замкнуть магнитопровод вокруг про­вода с измеряемым током, достаточно нажать рукоятки, раскрыть кле­щи и ввести в них провод - пружина сомкнет две половины магнитопровода. Провод, сцепленный с магнитопроводом, служит первичной обмоткой. Вторичная обмотка ТТ находится на магнитопроводе и замкнута амперметром.

По точности ТТ и ТН делятся на классы, наименованием которых служит наибольшая допустимая погрешность коэффициента трансфор­мации. Например, если класс точности ТН 0,5, то допустимая погреш­ность напряжения ± 0,5%, а допустимая угловая погрешность ± 20' при первичном напряжении 0,8-1,2 номинального; у ТТ класса точ­ности 1 допустимая погрешность тока ± 1,0% и допустимая угловая погрешность ± 90' при сопротивлении нагрузки 0,25-1,0 номиналь­ной и при первичном токе 1,2-0,1 номинального.

Для правильного выполнения соединений ТН и ТТ с измерительны­ми приборами необходимо руководствоваться разметкой выводов трансформаторов. Выводы ТН обозначаются так же, как выводы сило­вых трансформаторов (А - X, а - х и т. д.); у ТТ начало и конец пер­вичной обмотки обозначаются соответственно Л₁, Л₂ (линия), а начало и конец вторичной обмотки – И₁ и И₂ (измерительный прибор).

Рис. 7.36

Рис. 7.37

На рис. 7.36 показана схема включения в однофазную цепь комплек­та измерительных приборов через ТН и ТТ. Для измерения в трехфазных трехпроводных системах в общем случае необходимы несколько ТТ и ТН, например, для измерения активной мощности (рис. 7.13, а) два ТТ и два ТН (или один трехфазный ТН).

Показания ваттметра (или счетчика), включенного через ТН и ТТ, необходимо умножить на произведение коэффициентов трансформации этих трансформаторов. Погрешности ТН и ТТ сказываются на показа­ниях ваттметра, причем угловые погрешности оказывают существенное влияние на результаты, главным образом, при больших сдвигах фаз между первичными напряжением и током. Вследствие их влияния пока­зания ваттметра пропорциональны не коэффициенту мощности соs φ, а соs (φ + δ_u – δ_i) (рис. 7.37), при этом угловые погрешности могут складываться, так как часто δ_u < 0, а δ_i > 0.

Список литературы

Основная:

1. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов. – 2-е изд., перераб. – М.: высш. шк.; Логос; 2000. – 607с.

2. Кацман М.М. Электрические машины: Учеб. для электротехн. средн. спец. Учебных заведений / М.М. Кацман. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2003. – 469 с: ил.

3. Воробьев А.В. Электротехника и электрооборудование строительных процессов. АСВ, М., 1995г.

4. Фотиев М.М. Электрооборудование прокатных и трубных цехов. Металлургия, М.: 1995г.

Дополнительная:

1. Сукманов В.И. Электрические машины и аппараты. – М.: Колос, 2001. – 296 с.: ил.

2. Кацман М.М. Электрические машины автоматических устройств: Учеб. пособие для электротехнических специальностей техникумов. – М.: ФОРУМ, ИНФРА-М, 2002. – 264 с.

Учебное издание

Гамбург Клавдия Семеновна

Электрические машины

Методическое пособие

для самостоятельных работ

для студентов специальности