Характеристики и векторная диаграмма измерительных трансформаторов тока

Номинальный коэффициент трансформации ИТТ определяется отношением первичного I_1н и вторичного I_2н номинальных токов

(3.1)

Для идеального трансформатора с током намагничивания I_µ=0 отношение токов в обмотках обратно пропорционально отношению числа витков обмоток

, при этом (3.2)

У реального трансформатора тока из-за несовершенства конструкции и потерь в магнитопроводе и обмотках возникают погрешности, которые снижают точность измерений.

Различают погрешность тока

(3.3)

или (в процентах)

(3.4)

и угловую погрешность, определяемую углом δ между векторами первичного I₁ и вторичного I₂ токов.

Подставляя в выражение погрешности тока вместо отношение получаем

(3.5)

Для анализа режимов работы и оценки погрешностей строятся векторные диаграммы ИТТ (см. рисунок 3.1).

Погрешность тока ∆I по диаграмме определяется разностью намагничивающих сил F₂ F₁, которую при малом угле δ можно принять равной отрезку аб. Тогда

(3.6)

и, так как угол α мал, токовая погрешность (в процентах) определяется формулой

(3.7)

Рисунок 3.1 - Векторная диаграмма измерительного трансформатора тока

При малом δ угловая погрешность

(3.8)

В настоящее время для уточненных расчетов берется не токовая погрешность ∆I, а полная погрешность ε, определяемая вектором F₀. Она характеризует как погрешность по току, так и угловую погрешность.

На погрешности влияет, в основном, ток намагничивания стали сердечника. Чем выше качество стали, т. е. больше начальная магнитная проницаемость, тем меньше и стабильнее ток намагничивания.

Для снижения погрешностей и повышения точности измерений применяются: холоднокатаная сталь, пермаллой (сплав стали с никелем), специальные схемы соединений обмоток, искусственное подмагничивание сердечника и другие средства.

В зависимости от назначения по допустимым погрешностям выбирают наиболее более дешевый аппарат, подходящий по точности измерений. Группировка трансформаторов тока по классам точности сердечников, согласно ГОСТ 7746-78, и области их применения приведены в таблице 3.1. Обозначения класса точности соответствует наибольшей погрешности (в процентах) при токе в первичной обмотке, равном 100-120 % номинального.

Т а б л и ц а 3.1 – Класс точности и области применения ИТТ

Класс точности сердечника	Первичный ток, % Iн	Пределы допускаемой погрешности	Область применения
в токе, % (±)	угловой (±)
…….	град
0,2	100-120	0,75 0,35 0,20		0,9 0,45 0,3	Точные измерения энергии и мощности (точные контрольные лабораторные приборы)
0,5	100-120	1,5 0,75 0,5		2,7 1,35 0,9	Точные измерения энергии и мощности; счетчики 1-го класса
	100-120	3,0 1,5 1,0		5,4 2,7 1,8	Измерения тока, энергии и мощности; реле, счетчики 1-го класса - расчетные
	50-120	3,0 5,0 10,0	Не нормируется	Подключение амперметров, реле, фазометров То же Подключение катушек приводов

ИТТ класса 0,2 применяются для точных измерений, проверок и исследований, ими оснащаются электротехнические лаборатории электрических станций. Трансформаторы тока классов 0,5 и 1 устанавливаются в распределительных устройствах.

Трансформаторы тока классов 3-10 используются для схем релейных защит, автоматики, где допустима погрешность 3% и выше. В некоторых схемах релейных зашит и автоматики находят применение и специальные конструкции ИТТ, например, с сердечниками Д для дифференциальной защиты и любых других защит или с сердечниками Р для релейной защиты.

Класс точности ИТТ существенно зависит от нагрузки вторичной цепи. Нагрузка ИТТ определяются либо мощностью S₂ и cos φ₂ при номинальном токе I_2, либо полным сопротивлением вторичной цепи

Приняв ток за расчетный, получим соотношения

Номинальной нагрузкой ИТТ является наибольшая мощность S₂, при которой он работает в высшем классе точности. Подключение дополнительных приборов, т. е. увеличение нагрузки вторичной цепи, проводит к увеличению погрешностей и снижению точности измерений.

На точность работы ИТТ влияет также первичный ток. Номинальный класс точности (см. таблицу 3.1) соблюдается только в установленных ГОСТ пределах первичного тока, равных 100- 120% I_1н.

На рисунке 3.2 представлены схемы соединений ИТТ.

а – схема полной звезды; б – схема неполной звезды; в – двухфазная схема с включением реле на разность токов двух фаз; г – схема двусторонней звезды с включением реле на трехтрансформаторный фильтр токов нулевой последовательности.

Рисунок 3.2 – Схемы соединений ИТТ

Программа работы

3.2.1 Изучение конструкций представленных в работе ТТ (технические данные записывают в отчет).

3.2.2 Проверка полярности зажимов (выводов) представленных ТТ типа ТП-10, ТПФМ-10.

3.2.3 Проверка состояния изоляции ТТ типа ТПФМ-10 и ТП-10.

3.2.4 Определение коэффициента трансформации и погрешностей ТТ.

3.2.5 Снятие вольтамперных характеристик ТТ ТПФМ-10 и оценка исправности вторичных обмоток.

3.2.6 Снятие нагрузочных характеристик.

Подготовка к работе

3.3.1 Ознакомиться с описанием настоящей работы и необходимой литературой.

3.3.2 Подготовить все необходимые рисунки и таблицы.

3.3.3 Ответить устно на контрольные вопросы.

Порядок выполнения работы

3.4.1 Изучение параметров и конструкций ТТ.

В лаборатории изучаются следующие трансформаторы тока: TПЛ-10, TНШЛ-10, ТКФ-10, ТЗР, УТТ-6, И-64, УТТ-5.

В данном пункте работы необходимо записать паспортные дан­ные, изучить конструкцию перечисленных выше ТТ, обратить внима­ние на количество и тип обмоток, выводы и маркировку выводов с первичной стороны, устройство первичной обмотки.

Паспортные данные изучаемых в лаборатории трансформаторов тока внести в таблицу 3.2.

Т а б л и ц а 3.2 - Паспортные данные ТТ

№№ п/п	Тип	Номинальное напряжение (кВ)	Номинальное первичное напряжение (кВ)	Номинальные мощности при классах точности
0,5
	ТПЛ-10
	ТЗ
	ТПФМ-10
	ТНШЛ-0,5
	ТКФ-3

Продолжение таблицы 3.2

	ТЗР
	УТТ-6
	И-54
	УТТ-5

3.4.2 Проверка полярности выводов ТТ.

Для правильного подключения ТТ обмоток ваттметров, счетчи­ков электрической энергии и т.п. необходимо знать полярность за­жимов обмоток. Все ТТ должны иметь четкие обозначения выводов об­моток.

На ТТ отечественных заводов выводы первичной обмотки обоз­начаются: Л₁ (начало обмотки) и Л₂ (конец обмотки), однополярные с ними выводы вторичной обмотки соответственно обозначаются бук­вами И₁ и И₂.

Для проверки полярности выводов пользуются источником по­стоянного тока и гальванометром (или любым магнитоэлектрическим прибором с малым внутренним сопротивлением и обозначением поляр­ности проводов).

В данном пункте работы студент должен определить правиль­ность обозначения выводов ТТ типа ТПФМ-10, для чего необходимо собрать схему представленной на рисунке 3.3.

При кратковременном замыкании цепи первичной обмотки кнопкой "К" во вторичной обмотке индуктируется ЭДС, направление которой зависит от того, к каким выводам подключен прибор. Если стрелка прибора отклоняется вправо от среднего положения, то это значит, что полярность обозначения обмоток соответствует изображенной на схеме.

Если отклонение будет влево, то следует изменить полярность выводов на одной из обмоток. Следует помнить, что при размыкании кнопки “К” отклонение стрелки будет противоположным.

ТТ - испытуемый трансформатор тока типа ТПФМ-10; К - кнопка с самовозвратом; Б - источник постоянного тока; Г - гальванометр с нулем посредине шкалы.

Рисунок 3.3 – Определение полярности выводов ТТ

3.4.3 Проверка сопротивления изоляции ТТ.

В методических указаниях по проверке измерительных ТТ при­водятся технические данные мегоометров, схемы замещения изоля­ции, которые дают возможность объяснить характер прохождения тока через изоляцию под воздействием приложенного постоянного напряжения в зависимости от времени приложения напряжения и сос­тояния изоляции.

В данном пункте работы студент должен:

1) Собрать схему по рисунку 3.4 и определить отсутствие об­рыва витков вторичной обмотки трансформатора тока ТПФМ-10 - 0,5 и ТПЛ-10.

Проверка отсутствия обрыва витков вторичной обмотки ТТ производится мегоометром на 1000 В.

Если в обмотке обрыв витков, то стрелка мегоометра останет­ся на нулевой шкале.

Рисунок 3.4 – Проверка сопротивления изоляции ТТ

2) Измерить сопротивление изоляции первичной и вторичной обмоток относительно корпуса и сопротивление изоляции между пер­вичной и вторичной обмотками ТТ типа ТПФМ–10-0,5-5 и ТПЛ-10-10. Проверка также производится мегоометром на 1000B.

Величина сопротивления изоляции вторичной обмотки относи­тельно корпуса, измеренная мегоометром на напряжении 1000 В не должна быть ниже 1 МОм, а для первичной - не ниже 20 -25 МОм.

3.4.4 Определение коэффициента трансформации ТТ.

Определение коэффициента трансформации ТТ производится с помощью эталонного измерительного ТТ типа И-54, для чего необ­ходимо собрать схему по рисунку 3.5.

Проверка коэффициента трансформации ТТ производится для различных значений первичного тока (5-6 значений).

Показания снять через 1 А, до предельного значения шкалы амперметров 5А. Данные измерения внести в таблицу 3.3.

P – рубильник; ЛАТР - лабораторный автотрансформатор типа РПО-250; Т₁ - испытуемый ТТ типа ТПФМ-10 или TПЛ-10; Т₂ - эталонный ТТ типа И-54;

А₁ и А₀- амперметры 0 5 А.

Рисунок 3.5

Т а б л и ц а 3.3 - Коэффициент трансформации ТТ

(А)
(А)

При известном коэффициенте трансформации образцового ТТ , коэффициент трансформации испытуемого ТТ определяется по фор­муле

где I⁰, I¹ показатели амперметров, включенных в цепь вторичной обмотки образцового и испытуемого ТТ соответственно.

Изменяя ток первичной обмотки ТТ от 0 до I_1ном и при различ­ных нагрузках в цепи вторичной обмотки испытуемого ТТ (от 0 до 7 Ом), снять показания амперметров и построить графики зави­симости токовых погрешностей испытуемого ТТ от нагрузки во вто­ричной цепи, и от тока в первичной цепи для различных сопротив­лений . Погрешность по току определя­ется по формуле

3.4.5 Снятие характеристики намагничивания ТТ.

Ток намагничивания увеличивается с увеличением э.д.с., ве­личина которой, в свою очередь, зависит от нагрузки обмотки.

Зависимость E₂ от I₀ определяется характеристикой намагничивания (см. рисунок 3.6), из которой видно, что в прямолиней­ной ее части небольшому увеличению э.д.с. на величину E₂ соот­ветствует также небольшое увеличение тока намагничивания I₀.

Рисунок 3.6 – Характеристика намагничивания ТТ

В области же насыщения стали сердечника ТТ такому же уве­личению э.д.с. соответствует изменение тока намагничивания на большую величину. Наличие характеристики намагничивания или вольтамперной характеристики является основой при оценке исправ­ности трансформатора и дает возможность определить нагрузку на ТТ, установить наличие межвитковых замыканий.

В данном пункте студент должен:

1) Снять характеристику намагничивания ТТ типа ТПФМ-10 , не имеющего межвитковых замыканий (согласно схеме рисунка 3.7).

Рисунок 3.7 - Схема для снятия характеристики намагничивания ТТ

Установить движок трансформатора в нулевом положении, вклю­чить рубильник. Увеличивая напряжение, подводимое автотрансформатором ко вторичной обмотке, произвести замер тока и напряжения. Данные измерения занести в таблицу 3.4.

На основании данных таблицы построить зависимость

Т а б л и ц а 3.4 - Характеристика намагничивания ТТ

(А)
(А)

2) Произвести межвитковое замыкание вторичной обмотки испытываемого ТТ, переключив тумблер в положение "витковое к.з. вкл.", и снять вольтамперную характеристику. Вольтамперную характеристику снять в той же последовательности, что и в предыдущем пункте. Данные измерений внести в таблицу 3.5 и построить кри­вую.

Обе зависимости построить на одном графике и сравнить их.

Т а б л и ц а 3.5 - Зависимость U₂ = f(I_c)

(А)
(А)

3.4.6 Определение нагрузки вторичной обмотки трансформатора и снятие нагрузочной характеристики.

Определение нагрузки на ТТ является составной частью рас­четной проверки ТТ. Сопротивление нагрузки складывается из сле­дующих элементов: сопротивления проводов и кабелей, связываю­щих реле и приборы с ТТ; сопротивления реле и приборов, вклю­ченных в цепь ТТ; переходного сопротивления в контактных сое­динениях.

В данном пункте работы студент должен снять нагрузочную ха­рактеристику ТТ и произвести замер напряжения на разомкнутой вторичной обмотке ТТ и напряжения на вторичной обмотке при раз­личных нагрузках (согласно схеме на рисунке 3.8).

Порядок проведения данного пункта работы

1) Собрать схему (см. рисунок 3.8).

2) Установить движок автотрансформатора в нулевое по­ложение, предварительно подключив сопротивление нагрузки R = 0,5 Ом (15 ВА), включить рубильник Р. Снять нагрузочную характеристику I₂ = f (I₁), изменяя величину первичного тока I₁ до 20 А через 4-5 А. Произвести замер напряжения на вторичной обмотке при то­ке 5 А. Затем, не изменяя величины подводимого напряжения, разорвать цепь вторичной обмотки.

Разорвать цепь вторичной обмотки ТТ следует на короткое время, тaк как разомкнутая вторичная обмотка характеризует ава­рийный режим его работы. Дать объяснение увеличению этого на­пряжения.

Характеристику I₂ = f (I₁) снять также для сопротивления нагрузки R = 3 Ом (75 Ом) и R = 10 Ом (300 Ом).

R – сопротивление нагрузки 0,5 10 Ом;Р – рубильник; ЛАТР - - лабораторный автотрансформатор типа PHO-250; Т - испытуемый трансформатор типа ТПФМ; А₁ и А₂ - амперметры тока 0-5 А; V - вольтметр 0-60 В.

Рисунок 3.8 – Схема для снятия нагрузочной характеристики ТТ.

Вторичное напряжение при вторичное напряжение при разомкнутой вторичной обмотке

На основании данных таблицы построить зависимость при различных нагрузках во вторичной обмотке ТТ.

Данные измерений внести в таблицу 3.6.

Т а б л и ц а 3.6 - Нагрузочная характеристика ТТ

(А)
, А (R = 0,5 Ом)
, А (R = 3 Ом)
, А (R = 10 Ом)

Содержание отчета

3.5.1 Цель работы.

3.5.2 Характеристики и векторная диаграмма измерительных трансформаторов тока.

3.5.3 Технические данные ТТ.

3.5.4 Схемы испытаний, результаты и необходимые графики.

3.5.5 Анализ полученных данных.

Контрольные вопросы

3.6.1 Назначение и схемы включения ТТ.

3.6.2 Векторная диаграмма схемы замещения ТТ.

3.6.3 Конструкции ТТ.

3.6.4 Режимы работы ТТ.

3.6.5 Почему не допускается работа ТТ при разомкнутой вторичной обмотке?

3.6.6 Погрешности ТТ. Чем они обусловлены?

3.6.7 Способы уменьшения погрешностей.