Погрешности трансформаторов тока

Измерительные трансформаторы тока (принцип действия, погрешности ТТ, схемы соединения).

Трансформаторы тока

Трансформаторы тока (ТТ) служат для разделения (изоляции) первичных и вторичных цепей, а так же для приведения величины тока к уровню удобному для измерения (стандартный номинальный ток вторичной обмотки 1 А или 5 А).

Устройство и схема включения ТТ показаны на рис. 2.1. ТТ состоит из стального сердечника С и двух обмоток: первичной (с числом витков w1) и вторичной (с числом витков w2). Часто ТТ изготовляются с двумя и более сердечниками. В таких конструкциях первичная обмотка является общей для всех сердечников (рис. 2.1, б). Первичная обмотка, выполняемая толстым проводом, имеет несколько витков и включается последовательно в цепь того элемента, в котором производится измерение тока, или защита которого осуществляется. К вторичной обмотке, выполняемой проводом меньшего сечения и имеющей большое число витков, подключаются последовательно соединенные реле и приборы.

Рис. 2.1. Устройство и схема включения ТТ: а – с одним сердечником; б – с двумя сердечниками

Рис. 2.2. Маркировка выводов обмоток ТТ

Ток, проходящий по первичной обмотке ТТ, называется первичным и обозначается I₁, а ток во вторичной обмотке называется вторичным и обозначается I₂. Ток I₁ создает в сердечнике ТТ магнитный поток Ф₁, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней вторичный ток I₂, также создающий в сердечнике магнитный поток Ф₂, но направленный противоположно магнитному потоку Ф₁. Результирующий магнитный поток в сердечнике равен разности:

(2.1)

Магнитный поток зависит не только от значения создающего его тока, но и от количества витков обмотки, по которой этот ток проходит. Произведение тока на число витков называется магнитодвижущей силой и выражается в ампервитках (А∙вит.). Поэтому, выражение (2.1) можно заменить выражением:

(2.2)

где – ток намагничивания, обеспечивающий создание магнитного потока в сердечнике. Из последнего выражения делением всех членов уравнения на w₂ можно получить

(2.3)

Поскольку при значениях первичного тока, близких к номинальному, ток намагничивания не превышает 0,5–3% номинального тока, то в этих условиях можно с некоторым приближением считать . Тогда из выражения (2.3) следует:

(2.4)

Отношение витков называется коэффициентом трансформации ( ) ТТ.

(2.5)

Согласно действующему стандарту, отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току называется номинальным коэффициентом трансформации. Номинальные коэффициенты трансформации указываются на шильдиках ТТ, а также на схемах в виде дроби, в числителе которой – номинальный первичный ток, а в знаменателе – номинальный вторичный ток, например: 600/5 А или 1000/1 А. Определение вторичного тока по известному первичному и, наоборот, производится по номинальным коэффициентам трансформации в соответствии с формулами:

(2.6)

Для правильного соединения ТТ между собой и правильного подключения к ним реле направления мощности, ваттметров и счётчиков, выводы обмоток ТТ обозначаются (маркируются) заводами-изготовителями следующим образом: начало первичной обмотки – Л₁, начало вторичной обмотки – u₁, конец первичной обмотки – Л₂, конец вторичной обмотки – u₂. При монтаже ТТ они обычно располагаются так, чтобы начала первичных обмоток Л₁ были обращены в сторону шин, а концы Л₂ – в сторону защищаемого оборудования. При маркировке обмоток ТТ за начало вторичной обмотки Н(u₁) принимается тот её вывод, из которого ток выходит, если в этот момент в первичной обмотке ток проходит от начала Н(Л₁) к концу К(Л₂), как показано на рис. 2.2. При включении реле КA по этому правилу, ток в реле, как показано на рис. 2.2, при включении его через ТТ сохраняет то же направление, что и при включении непосредственно в первичную цепь.

В нормальном режиме трансформаторы тока, вторичная обмотка которых замкнута на малое сопротивление токовых обмоток приборов и реле, работают в режиме близком к короткому замыканию.

Из условий безопасности персонала при пробое изоляции между первичной и вторичной обмотками, вторичные обмотки трансформаторов тока должны быть обязательно заземлены. Заземление вторичных цепей трансформаторов тока выполняется в одной точке и, как правило, на ближайшей к ним клеммой сборке.

Погрешности трансформаторов тока

Коэффициент трансформации ТТ так же, как у ТН, не является строго постоянной величиной и из-за погрешностей может отличаться от номинального значения. Погрешности ТТ зависят главным образом от кратности первичного тока по отношению к номинальному току первичной обмотки и от нагрузки, подключенной к вторичной обмотке. При увеличении сопротивления нагрузки или тока выше определенных значений погрешность возрастает и ТТ переходит в другой класс точности.

Для измерительных приборов погрешность относится к зоне нагрузочных токов . Эта погрешность именуется классом точности и может быть равна 0,2; 0,5; 1,0; 3,0%.

Требования к работе ТТ, питающих защиту, существенно отличаются от требований к ТТ, питающим измерительные приборы. Если ТТ, питающие измерительные приборы, должны работать точно в пределах своего класса при токах нагрузки, близких к их номинальному току, то ТТ, питающие релейную защиту, должны работать с достаточной точностью при прохождении токов КЗ, значительно превышающих номинальный ток ТТ. Для целей защиты выпускаются трансформаторы тока класса Р или Д (для дифференциальных защит) в которых не нормируется погрешность при малых (нагрузочных) токах. В настоящее время выпускаются трансформаторы тока классов 10Р и 5Р, погрешность которых нормируется во всем диапазоне токов.

Правила устройства электроустановок требуют, чтобы ТТ, предназначенные для питания релейной защиты, имели погрешность, как правило, не более 10%. Большая погрешность допускается в отдельных случаях, когда это не приводит к неправильным действиям релейной защиты. Погрешности возникают вследствие того, что действительный процесс трансформации в ТТ происходит с затратой мощности, которая расходуется на создание в сердечнике магнитного потока, перемагничивание стали сердечника (гистерезис), потери от вихревых токов, нагрев обмоток.

Рис. 2.3. Схема замещения ТТ

Рис. 2.4. Упрощенная векторная диаграмма ТТ

Процесс трансформации тока хорошо иллюстрируется схемой замещения ТТ, приведенной на рис. 2.3. На этой схеме Z₁ и Z₂ – сопротивления первичной и вторичной обмоток, a – сопротивление ветви намагничивания, которое характеризует указанные выше потери мощности.

Из схемы замещения видно, что первичный ток I₁ входящий в начало первичной обмотки Н, проходит по её сопротивлению Z₁ и в точке разветвляется по двум параллельным ветвям. Основная часть тока, являющаяся вторичным током I₂, замыкается через сопротивление вторичной обмотки Z₂ и сопротивление нагрузки , состоящее из сопротивлений реле, приборов и соединительных проводов. Другая часть первичного тока замыкается через сопротивление ветви намагничивания и, следовательно, в реле, подключенное к вторичной обмотке ТТ, не попадает. Поскольку из всех затрат мощности наибольшая часть приходится на создание магнитного потока в сердечнике, то ветвь между точками а и б схемы замещения ТТ называется ветвью намагничивания и весь ток , проходящий по этой ветви, – током намагничивания.

Таким образом, схема замещения показывает, что во вторичную обмотку ТТ поступает не весь трансформированный первичный ток, равный , а его часть, и что, следовательно, процесс трансформации происходит с погрешностями.

При размыкании цепи вторичной обмотки ТТ, он превращается в повышающий трансформатор, резко возрастает ток намагничивания: (рис 2.3) и, при достаточном уровне тока, индукция в сердечнике достигает насыщения. Вследствие насыщения сердечника ТТ, при синусоидальном первичном токе, магнитный поток в сердечнике будет иметь не синусоидальную, а трапециоидальную форму. Поэтому, ЭДС во вторичной обмотке, пропорциональная скорости изменения магнитного потока, в моменты перехода его через нулевые значения будет очень велика, и может превышать 1000 В, что опасно не только для обслуживающего персонала, но и для межвитковой изоляции трансформаторов тока (возможно межвитковое замыкание). Кроме появления опасного напряжения на разомкнутой вторичной обмотке, может иметь место повышенный нагрев стального сердечника из-за больших потерь в стали (так называемый «пожар стали»). Это не только может привести к повреждению изоляции, но и к увеличению погрешностей трансформаторов тока вследствие остаточного намагничивания сердечника. При межвитковом замыкании вторичной обмотки ТТ резко возрастает ток намагничивания, а ток на его выходе резко уменьшается (или полностью отсутствует). Диагностировать витковое замыкание ТТ можно сравнив его характеристику намагничивания (зависимость напряжения на вторичной обмотке от проходящего по ней тока) с характеристикой исправного ТТ (характеристика значительно понижается).

На рис. 2.4 приведена упрощенная векторная диаграмма ТТ из которой видно, что вектор вторичного тока I₂ меньше значения первичного тока, деленного на коэффициент трансформации на величину и сдвинут относительно него на угол δ. Таким образом, соотношение значений первичного и вторичного токов в действительности имеет вид:

(2.7)

Различают следующие виды погрешностей ТТ. Токовая погрешность, или погрешность в коэффициенте трансформации, определяется как арифметическая разность первичного тока, поделённого на номинальный коэффициент трансформации , и измеренного (действительного) вторичного тока (отрезок на диаграмме рис. 4.4):

(2.8)

Токовая погрешность, %,

(2.9)

Угловая погрешность определяется как угол δ сдвига вектора вторичного тока I₂ относительно вектора первичного тока I₁ (см. рис. 2.4) и считается положительной, когда I₂ опережает I₁.

Полная погрешность (ε) определяется как выраженное в процентах отношение действующего значения разности мгновенных значений первичного и вторичного токов к действующему значению первичного тока.

При синусоидальных первичном и вторичном токах: . Из рассмотренного следует, что причиной возникновения погрешностей у трансформаторов тока является прохождение тока намагничивания, т.е. того самого тока, который создаёт в сердечнике ТТ рабочий магнитный поток, обеспечивающий трансформацию первичного тока во вторичную обмотку. Чем меньше ток намагничивания, тем меньше погрешности ТТ.

Как видно из схемы замещения (рис. 2.3), ток намагничивания зависит от ЭДС Е₂ и сопротивления ветви намагничивания .

Электродвижущая сила Е₂ может быть определена как падение напряжения от тока I₂ в сопротивлении вторичной обмотки Z₂ и сопротивлении нагрузки , т. е.:

(2.10)

Сопротивление ветви намагничивания зависит от конструкции трансформаторов тока и качества стали, из которой выполнен сердечник. Это сопротивление не является постоянным, а зависит от характеристики намагничивания стали. При насыщении стали сердечника ТТ, резко уменьшается, что приводит к возрастанию и как следствие этого к возрастанию погрешностей ТТ.

Таким образом, условиями, определяющими погрешности трансформаторов тока, являются: отношение, т.е. кратность, первичного тока, проходящего через ТТ, к его номинальному току и нагрузка, подключённая к его вторичной обмотке.

Для увеличения допустимой вторичной нагрузки применяют трансформаторы тока с номинальным током вторичной обмотки 1 А, вместо 5 А. Одноамперные трансформаторы тока могут нести нагрузку в 25 раз больше, чем пятиамперные, имеющие такие же конструктивные параметры и тот же номинальный ток первичной обмотки. Конечно, потребляемая мощность аппаратуры при этом остается прежней, и её сопротивление также увеличивается в 25 раз, однако получается существенный выигрыш за счёт возможности применять длинные кабели с жилами небольшого сечения. По этой причине, трансформаторы тока со вторичными токами 1 А нашли применение, в основном, на мощных подстанциях сверхвысокого напряжения, где требуется прокладывать длинные кабели. В сетях напряжением 6–35 кВ, как правило, применяются 5-ти амперные трансформаторы тока, которые упрощают конструкцию за счёт того что требуется наматывать в 5 раз меньшее количество витков. Одноамперные трансформаторы тока нашли применение также в ячейках фирмы «Таврида – Электрик», где переход на вторичный ток 1 А в сочетании с малым потреблением современных релейных защит позволил выполнить малогабаритные трансформаторы тока, которые только и можно разместить в выпускаемых ею малогабаритных ячейках.