А) Измерительные трансформаторы

1. Трансформаторы напряжения.

Трансформаторы напряжения (ТН на рис. 2-74) служат для понижения напряжения (обычно до 100 — 150 В), так как вольтметры и катушки напряжения ваттметров и счетчиков (или реле) не могут быть включены непосредственна на высокое напряжение из-за недостаточной изоляции измерительных приборов и необходимости обеспечить безопасность обслуживающего персонала.

Рис. 2-74. Схема включения трансформаторов напряжения (ТН) и тока (ТТ).

Они выполняются как двухобмоточные трансформаторы и электрически отделяют цепь приборов от цепи высокого напряжения; их вторичная цепь надежно заземляется.

По принципу действия трансформаторы напряжения не отличаются от ранее рассмотренных двухобмоточных трансформаторов. Для их исследования можно применить векторные диаграммы (например, рис. 2-14) или уравнения напряжений и токов (2-41), (2-42) и (2-43). Из этих уравнений следует:

(2-187)

где — комплексный коэффициент;

— сопротивление прибора, приведенное к числу витков первичной обмотки.

При расчете трансформатора напряжения и его выполнении стремятся к тому, чтобы погрешности, вносимые им в измерения, были как можно меньше. Различают следующие погрешности измерения: погрешность напряжения

и угловую погрешность δ_u, равную углу между и (δ_u измеряется в минутах и принимается положительным, когда опережает ).

Из (2-187) следует, что обе погрешности f_u и δ_u будут тем меньше, чем больше сопротивление прибора , чем меньше Z₁, и и чем ближе С₁ к единице.

Трансформаторы напряжения имеют максимальные погрешности в зависимости от класса точности, установленные ГОСТ: класс 0,5 — f_u = ±0,5% и δ_u = ±20^'; класс 1 — f_u = ±1%, и δ_u = ±40^'; класс 3 — f_u = ±3% (δ_u не нормируется). Прецизионные трансформаторы напряжения для точных лабораторных измерений имеют f_u » ±0,2% и δ_u » ±10'.

Номинальные мощности трансформаторов напряжения лежат примерно в пределах 25 — 300 ВА. Они обычно могут быть длительно нагружены по условиям нагрева (без соблюдения точности в отношении f_u и δ_u) до мощности, в 5 — 8 раз превышающей номинальную.

2. Трансформаторы тока.

Трансформаторы тока (ТT на рис. 2-74) также выполняются в виде двухобмоточных трансформаторов. Их первичная обмотка включается в цепь последователи с потребителями, ток которых надо измерить; во вторичную обмотку включаются амперметр, реле, а при измерении мощности и энергии — токовые катушки ваттметра и счетчика. Все приборы во вторичной цепи соединяются последовательно.

При помощи трансформатора тока цепь приборов электрически отделяется от первичной цепи и вторичная обмотка надежно заземляется, что необходимо, если первичная обмотка включается в цепь высокого напряжения.

Отношение токов трансформатора тока практически равно обратному отношению чисел витков: Последнее обычно подбирается таким образом, чтобы при номинальном первичном токе I_1н номинальный вторичный ток был равен 5 или 1 А. При больших значениях I_1н часто выбирается w₁ = l. Получается в этом случае одновитковый трансформатор тока. Здесь первичной обмоткой служит шина (или круглый проводник), которая проходит внутри сердечника; на сердечнике помещается вторичная обмотка с числом витков w₂.

Исследование трансформатора то­ка может быть проведено с помощью схемы замещения (рис. 2-17) или уравнений напряжении и токов (2-41), (2-42) и (2-43).

Из этих уравнений следует:

, (2-188)

где — сопротивление нагрузки (всех последовательно соединенных приборов), приведенное к числу витков первичной обмотки.

Равенство (2-188) показывает, что отношение токов будет тем ближе к обратному отношению чисел витков, чем меньше и по сравнению с Z₁₂. Поэтому стремятся к уменьшению суммы ( + ) и увеличению Z₁₂. Последнее, как известно, зависит от индуктивного сопротивления взаимной индукции x₁₂ для увеличения которого надо снизить магнитное сопротивление главному по току в сердечника трансформатора, что достигается за счет уменьшения его насыщения.

При трансформаторах тока различают следующие погрешности измерения:

токовую погрешность

и угловую погрешность d_i, (равную углу сдвига по фазе между и (d_i измеряется в минутах и принимается положительным, когда опережает ). Токовая и угловая погрешности изменяются с изменением тока I₁ и . Поэтому при точных измерениях желательно иметь калибровочные кривые: f_i,

В зависимости от допускаемых погрешностей согласно ГОСТ различаются пять классов точности трансформаторов тока 0,2; 0,5; 1; 3 и 10.

Приведенные числа указывают до­пускаемую для данного класса токо­вую погрешность в процентах при номинальном первичном токе. Угловая погрешность при том же первичном токе не должна быть соответственно больше 10, 40 и 80 минут для первых грех классов; для классов 3 и 10 она не нормируется.

Первичные номинальные токи стандартизованы в пределах 5 15000 А. Вторичные номинальные токи имеют два стандартных значения: 5 и 1 А. При токе 5 А общее сопротивление нагрузки колеблется в пределах 0,2 2 Ом, а при токе I А — 5 30 Ом.

Трансформаторы тока должны быть механически достаточно прочными, чтобы выдержать электродинамические воздействия, возникающие при аварийном повышении первичного тока.

Особенностью трансформатора тока в отличие от трансформатора напряжения является то, что его магнитный поток при неизменном токе в первичной обмотке и переменном сопротивлении нагрузки будет изменяться. При большом сопротивлении нагрузки магнитный поток трансформатора тока может возраст до чрезмерного значения. Режим работы при разомкнутой вторичной обмотки следует считать аварийным, так как при этом магнитный поток и индукция в сердечнике будут иметь наибольшие значения, что приведет не только к большому увеличению магнитных потерь и, следовательно, нагреву трансформатора, но и к значительному возрастанию напряжения на разомкнутых зажимах вторичной обмотки. В этом, случае магнитный поток будет создаваться только током I₁ (при отсутствии размагничивающего вторичного тока I₂) и напряжение вторичной обмотки может достигнуть опасных значений. Следует здесь учитывать, что опасным является максимальное значение напряжения, а оно вследствие уплощения кривой потока [см. кривую Ф = f(t) при синусоидальном намагничивающем токе на рис. 2-42] может значительно возрасти: например, у многовитковых трансформаторов тока отношение максимального напряжения к действующему часто получается равным 2 2,5, а не как при синусоидальной кривой напряжения.

Кроме того, намагничивание сердечника трансформатора тока в режиме разомкнутой вторичной обмотки при последующем его использовании из-за остаточного магнетизма может давать большие погрешности в измерениях, не соответствующие его калибровочным кривым.